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Die
Erfindung betrifft einen induktiven Wegsensor zur Bestimmung der
Position eines linear bewegten Beeinflussungselements, mit einem
Sender, mit einem Empfänger
und mit einer Auswerteeinheit, wobei der Sender einen Oszillator
mit einem eine Sendespule und einen Kondensator enthaltenden Sendeschwingkreis
und der Empfänger
mindestens eine Empfangsspule aufweist.
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Positionssensoren
zur Bestimmung der Position eines Beeinflussungselements sind in
einer Vielzahl von Ausführungsformen
und für
eine Vielzahl von Anwendungsgebieten bekannt. Derartige Positionssensoren
können
zum einen danach unterteilt werden, ob es sich bei der Bewegung
des zu überwachenden
Beeinflussungselements in erster Linie um eine lineare Bewegung
handelt, somit durch den Positionssensor eine Strecke erfaßt werden
soll, oder ob es sich bei der Bewegung des Beeinflussungselements
in erster Linie um eine kreisförmige Bewegung
handelt, so daß durch
den Positionssensor der Drehwinkel des Beeinflussungselements überwacht
bzw. festgestellt wird. Positionssensoren, die eine Strecke erfassen,
werden häufig
auch als Wegsensoren bezeichnet, während Positionssensoren, die
einen Drehwinkel erfassen, häufig
als Drehwinkelgeber bezeichnet werden.
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Daneben
können
Positionssensoren nach ihrem physikalischen Funktionsprinzip unterteilt
werden. Bekannt sind zum Beispiel induktive, kapazitive oder optoelektronische
Positionssensoren. Darüber hinaus
ist es auch bekannt, zwei oder mehrere einzelne Näherungsschalter
zur Positionserfassung zu verwenden, wobei dann jedoch nur die beiden
Endpositionen und ggf. noch eine Mittelposition des Beeinflussungselements
erfaßt
werden kann.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein induktiver Wegsensor, wobei mit
dem Wegsensor eine lineare Bewegung eines Beeinflussungselements,
d. h. eine Strecke, gemessen werden kann. Derartige bekannte induktive
Positionssensoren weisen mehrere Spulen und mindestens einen Magnetkern
auf, wobei von den Spulen mindestens eine als Primärspule und
mindestens eine andere Spule als Sekundärspule ausgebildet ist. Der
Magnetkern stellt dabei das zu überwachende
Beeinflussungselement dar, das beweglich zwischen den Spulen angeordnet ist.
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Aus
der
DE 43 37 208 A1 und
der
DE 196 32 211
A1 sind derartige induktive Wegsensoren bekannt, bei denen
die Spulen nach dem Transformatorprinzip aufgebaut sind, wobei einer
Primärspule seitlich
benachbart jeweils eine Sekundärspule
angeordnet ist. Die induktive Kopplung zwischen der mittigen Primärspule und
den beiden seitlich angeordneten Sekundärspulen wird dabei durch die
Position eines im Bereich der Zylinderachse des zylindrischen Spulensystems
angeordneten – beispielsweise
als magnetisch leitender Stab ausgebildeten – Beeinflussungselements verändert.
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Die
FR 2 682 760 A1 offenbart
einen induktiven Wegsensor mit einer Sendespule und einer Empfangsspule,
wobei die Sendespule und die Empfangsspule einander gegenüberliegend
angeordnet sind. Dabei zeigt diese Druckschrift dem Fachmann eine
Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen der
Sendespule und der Empfangsspule. Gemäß einem Ausführungsbeispiel
sind die Sendespule U-förmig
und die Empfangsspule bzw. die Empfangsspulen V-förmig ausgebildet.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
weist die Sendespule eine vollflächige rechteckige
Form und die Empfangsspule eine vollflächige dreieckige Form auf.
Auch aus der
DE 100 26
019 A1 ist ein induktiver Wegsensor mit einer Sendespule
und einer Empfangsspule bekannt. Bei diesem Wegsensor ist die Empfangsspule
innerhalb der rechteckförmigen
Sendespule angeordnet.
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Die
DE 197 38 836 A1 beschreibt
einen induktiven Winkelsensor mit einem Statorelement, welches eine
mit einer periodischen Wechselspannung beaufschlagte Erregerspule
sowie mehrere Empfangsspulen aufweist, und einem Rotorelement, welches
die Stärke
der induktiven Kopplung zwischen der Erregerspule und den Empfangsspulen
in Abhängigkeit
von seiner Winkelposition relativ zum Statorelement vorgibt. Aus
den in den Empfangsspulen induzierten Spannungssignalen bestimmt
eine Auswerteschaltung die Winkelposition des Rotorelements relativ
zum Statorelement.
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Aus
der
DE 44 11 759 C2 ist
ein Positionssensor mit einem Sende- und Empfangsspulen aufweisenden
Detektor zur Abtastung von elektrisch leitfähigen Markierungen auf einer
Scheibe bekannt. Die Sendespulen und die Empfangsspulen sind zu
einer Doppelspule koaxial übereinanderliegend
angeordnet, wobei deren Windungen aus dünnschichtigen Leiterbahnen
bestehen.
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Nachteilig
ist bei den bekannten induktiven Wegsensoren jedoch, daß zum einen
die Baulänge des
Wegsensors deutlich länger
als die maximal überwachbare
Strecke des Beeinflussungselements ist, so daß bei einer vorgegebenen zu überwachenden
Weglänge
ein bis zu 100% längerer
Wegsensor erforderlich ist. Darüber
hinaus weisen die Wegsensoren auch aufgrund der Größe der Spulen
sowie des Magnetkerns häufig
eine große
Baugröße auf. Dies
ist insbesondere dort, wo nur ein begrenzter Einbauraum zur Verfügung steht,
unerwünscht.
Außerdem
ist bei den bekannten induktiven Wegsensoren die erreichbare Meßgenauigkeit
häufig
nicht ausreichend oder sie kann nur durch erhöhten schaltungstechnischen
Aufwand erhöht
werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen induktiven
Wegsensor zur Verfügung
zu stellen, der eine möglichst
geringe Baugröße bei einem
möglichst
großen
Hub aufweist.
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Diese
Aufgabe ist durch einen erfindungsgemäßen induktiven Wegsensor gemäß Patentanspruch
1 oder 2 gelöst.
Die Sendespule und die Empfangsspule bzw. die Empfangsspulen weisen
jeweils eine niedrige Windungszahl auf, wobei die Sendespule weniger
aber dafür
relativ dicke Windungen und die Empfangsspule bzw. die Empfangsspulen
im Verhältnis
zur Sendespule mehr aber dafür
dünnere Windungen
aufweist bzw. aufweisen. Durch die Reduzierung der Windungszahl
sowohl der Sendespule als auch der Empfangsspule bzw. der Empfangsspulen
ist sowohl eine Verringerung der Baugröße des Positionssensors als
auch eine Vergrößerung des maximalen
Hubs des Beeinflussungselements relativ zur Baugröße des Sensors
möglich.
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Um
ein möglichst
lineares Meßsignal
zu erhalten, ist es erforderlich, daß sich das Beeinflussungselement
innerhalb des "linearen" Bereichs der Sende-
bzw. Empfangsspule befindet. Der "lineare" Bereich der Sende- bzw. Empfangsspulen
kann dabei durch die Geometrie der Spulen festgelegt werden. Erfindungsgemäß weist
die Sendespule eine rechteckige Form und die Empfangsspule bzw.
die Empfangsspulen eine dreieckige Form auf. Der "lineare" Bereich der Sende- bzw. Empfangsspulen
ist dann durch die von den Spulen umspannte Fläche vorgegeben. Solange das
Beeinflussungselement den Randbereich der Spulen nicht überschreitet,
ist ein lineares Meßsignal
möglich.
Durch die Verringerung der Windungszahl verringert sich auch die
Breite des Randbereichs der Spulen, der für ein lineares Meßergebnis
vom Beeinflussungselement nicht überschritten
werden darf, so daß sich
der maximal mögliche
Hub vergrößert.
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Um
mit einem induktiven Positionssensor eine hohe Meßgenauigkeit
zu erreichen, ist es erforderlich, daß die Sendespule eine möglichst
hohe Güte
Q aufweist. Normalerweise wird dies durch eine entsprechend hohe
Windungszahl und damit eine große
Induktivität
L erreicht. Erfindungsgemäß soll dagegen
die Windungszahl der Sendespule sehr gering sein, wobei die gewünschte hohe
Güte Q
durch die Verwendung relativ dicker Windungen für die Sendespule erreicht wird,
auch bei einem ansonsten aufgrund der geringen Windungszahl ungünstigen Verhältnisses
von Induktivität
zu Kapazität
des Schwingkreises. Durch die dicken Windungen wird der negative
Einfluß des
Skin-Effekts, der bei den in Rede stehenden hohen Frequenzen von
einigen MHz auftritt, verringert. Bei der so erreichbaren hohen
Güte Q
der Sendespule wird darüber
hinaus gewährleistet,
daß das
sinusförmige
Sendesignal nur weniger oder gar keine Oberwellen aufweist, was sich
positiv auf die Qualität
des Empfangssignals auswirkt.
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Im
Gegensatz dazu sind die Windungen der Empfangsspule bzw. der Empfangsspulen
möglichst dünn, so daß die Empfangsspule
bzw. die Empfangsspulen eine deutlich geringere Güte aufweisen.
Während
für die
Sendespule eine hohe Güte
gewünscht ist,
ist für
die Empfangsspule bzw. die Empfangsspulen eine schlechte Güte Q vorteilhaft,
da dadurch die Eigenresonanz der Empfangsspule bzw. der Empfangsspulen
verringert wird, wodurch die Gefahr der Verzerrung des Empfangssignal
weiter verringert wird.
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Vorteilhafterweise
weist die Sendespule nicht mehr als fünf Windungen und die Empfangsspule
bzw. die Empfangsspulen mindestens zwei und maximal zwölf Windungen
auf, wobei das Windungszahlverhältnis
von Sendespule zu Empfangsspule etwa 1:2 beträgt. Auf der anderen Seite beträgt das Verhältnis der
Breite der Windungen der Sendespule zur Breite der Windungen der
Empfangsspulen etwa 2:1, wobei die Breite der Windungen der Empfangsspulen
weniger als 1 mm, vorzugsweise etwa 0,2 mm beträgt.
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Der
erfindungsgemäße induktive
Wegsensor arbeitet nach dem Transformatorprinzip, wobei jedoch im
Unterschied zu den aus der
DE
43 37 208 A1 und der
DE 196 32 211 A1 bekannten induktiven Wegsensoren
die Sendespule und die Empfangsspule bzw. die Empfangsspulen nicht
nebeneinander sondern einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Soll mit dem induktiven Positionssensor eine lineare Strecke erfaßt werden,
so kann das Beeinflussungselement, dessen Position erfaßt werden
soll, zwischen der Empfangsspule und der gegenüberliegenden Sendespule bzw.
den gegenüberliegenden Sendespulen
geführt
werden. Als Beeinflussungselement kann beispielsweise ein schmaler
Metall-Schieber verwendet werden, wobei aufgrund der hohen Frequenz
des Sendesignals (z. B. 3–4
MHz) das Material des Schiebers keinen bzw. nur einen sehr geringen
Einfluß auf
das Meßergebnis
hat. Daneben kann das Beeinflussungselement auch gabelförmig ausgebildet
sein und außerhalb
der Sendespule und der Empfangsspule, die Spulen umgreifend, geführt werden.
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Gemäß der ersten
Alternative der Erfindung weist der Empfänger mindestens zwei etwa dreieckförmige Empfangsspulen
auf, wobei die beiden Empfangsspulen vorzugsweise gegensinnig gewickelt und
um 180° gedreht
zueinander angeordnet sind. Die beiden Empfangsspulen liefern dann
eine von der Position des Beeinflussungselements abhängige Differenzspannung,
aus der ein der Position des Beeinflussungselements entsprechendes
analoges Ausgangssignal gewonnen werden kann.
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Gemäß der zweiten
Alternative der Erfindung wird das Prinzip des Differenztransformators dadurch
erreicht, daß der
Empfänger
nur eine Empfangsspule aufweist, deren Windungen so angeordnet sind,
daß pro
Windung zwei gegensinnige, dreieckförmige Teilwindungen entstehen.
Eine solche Empfangsspule weist etwa die Form einer "kantigen 8" auf und kann aufgrund
ihrer gegensinnigen Teilwindungen auch als "Differenz-Empfangs"-Spule bezeichnet werden. Die beiden
Teilwindungen liefern dann eine von der Position des Beeinflussungselements
abhängige
Differenzspannung.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgetaltung des erfindungsgemäßen induktiven
Positionssensors ist der Oszillator des Senders als Gegentaktoszillator
ausgebildet. Ein Gegentaktoszillator hat den Vorteil, daß er sehr
schwingfreudig ist, so daß der
Oszillator im Betrieb nur einen sehr geringen Stromverbrauch hat,
wobei dennoch ein sehr starkes HF-Magnetfeld erzeugt werden kann.
Von den Transistoren müssen
nur die relativ kleinen Verluste des Schwingkreises ersetzt werden,
die sehr viel kleiner sind als die zwischen der Sendespule und der
Kapa zität
hin und her pendelnde Energie. Darüber hinaus kann durch einen
Gegentaktoszillator ein relativ reines Sinussignal mit relativ wenigen
Oberwellen erzeugt werden. Die beiden Transistoren des Gegentaktoszillators
können
vorzugsweise durch Bipolar-Transistoren, insbesondere durch NPN-Transistoren,
oder durch Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET) gebildet sein.
Das Sendesignal kann dadurch weiter verbessert werden, daß im Sender
ein Regelkreis zur Regelung der Sendeamplitude des Gegentaktoszillators
vorgesehen ist.
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Der
erfindungsgemäße induktive
Wegsensor kann dadurch eine besonders geringe Baugröße und einen
einfachen Aufbau aufweisen, daß die
Sendespule und die Empfangsspule bzw. die Empfangsspulen als geätzte Leiterbahnen
auf einer Leiterplatte ausgebildet sind. Bevorzugt sind dabei die
Sendespule und die Empfangsspule bzw. die Empfangsspulen jeweils
zweilagig, d. h. beidseitig auf den entsprechenden Leiterplatten
ausgebildet. Durch die Zweilagigkeit kann die Anzahl der Windungen
der Spulen erhöht
werden, ohne daß es
zu einer wesentlichen Verbreiterung des induktiven Wegsensors oder
zu einer Vergrößerung der
Randbereiche der Spulen kommt. Die Leiterplatte hat dabei die Funktion
des Trägermediums
für die
einzelnen Windungen der Spulen, so daß es sich bei der Leiterplatte
sowohl um eine starre Leiterplatte als auch um eine flexible Leiterplatte,
d. h. um einen Leiterfilm handeln kann.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen induktiven Wegsensors
ist die Sendespule so ausgebildet, daß die Windungen, die auf der
der Empfangsspule bzw. den Empfangsspulen zugewandten Seite der
Leiterplatte angeordnet sind, eine geringere HF-Spannung führen, als
die Windungen, die auf der der Empfangsspule bzw. den Empfangsspulen
abgewandten Seite der Leiterplatte angeordnet sind. Dies wird dadurch erreicht,
daß die
Sendespule eine Mittenanzapfung aufweist, die mit der DC-Spannung
verbunden ist, während
die beiden Enden der Sendespule mit dem Gegentaktoszillator und
somit mit der HF-Spannung verbunden sind. Anders ausgedrückt bedeutet
dies, daß auf
der der Empfangsspule bzw. den Empfangsspulen zugewandten Seite
nur die "kalten" Leiterbahnen angeordnet
sind, während
die "heißen" Leiterbahnen, mit
der höheren
HF-Spannung, auf der der Empfangsspule bzw. den Empfangsspulen abgewandten
Seite verlaufen.
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Diese
Anordnung der Leiterbahnen der Sendespule führt dazu, daß die parasitären Kapazitäten zwischen
der Sendespule und der Empfangsspule bzw. den Empfangsspulen reduziert
und somit nur noch eine relativ schwache kapazitive Kopplung zwischen
der Sendespule und den Empfangsspulen besteht. Durch diese Maßnahme ist
die Anordnung einer zusätzlichen
Abschirmung zwischen der Sendespule und den Empfangsspulen nicht
erforderlich. Im Ergebnis wird dadurch erreicht, daß die kapazitive Empfindlichkeit
des induktiven Positionssensors reduziert wird und sich gleichzeitig
das Nutzsignal vergrößert, da
sich durch die Verringerung der parasitären Kapazitäten auch die Verzerrung des
Empfangssignals verringert, so daß das Empfangssignal weniger
unerwünschte
Oberwellen aufweist.
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Die
Auswerteeinheit des erfindungsgemäßen induktiven Wegsensors kann
entweder einen Synchron-Gleichrichter oder einen Asynchron-Gleichrichter
aufweisen. Ein Synchron-Gleichrichter kann dabei von einem Analogmultiplexer
gebildet werden, wobei der Takt des Analogmultiplexers mittels einer
ein Verzögerungsglied
aufweisenden Taktgewinnung vom Sender gewonnen wird. Zusätzlich kann
die Auswerteeinheit noch einen Tiefpaß und eine Pegelanpassung aufweisen.
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Im
einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen induktiven Wegsensor
auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die den
Patentansprüchen 1
und 2 nachgeordneten Patentansprüche
sowie auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung
mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 ein
vereinfachtes Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen induktiven
Wegsensors,
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2 ein
vereinfachtes Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen induktiven
Wegsensors,
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3 ein
Schaltbild eines Gegentaktoszillators,
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4 ein Ersatzschaltbild und eine Aufbauvariante
der Sendespule und zweier Empfangsspulen,
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5 eine Leiterplatte mit einer Sendespule,
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6 eine Leiterplatte mit zwei Empfangsspulen,
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7 den
prinzipiellen Aufbau einer Sendespule und einer Empfangsspule bei
einem induktiven Wegsensor und
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8 das
Spulenlayout des induktiven Wegsensors gemäß 7.
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Die 1 und 2 zeigen
ein vereinfachtes Schaltbild eines induktiven Wegsensors 1 zur
Bestimmung der Position eines Beeinflussungselements 2,
wobei der induktive Wegsensor 1 im wesentlichen einen Sender,
einen Empfänger
und eine Auswerteeinheit 3 aufweist. Der Sender besteht
aus einem Oszillator 4 mit einem eine Sendespule 5 und einen
Kondensator 6 aufweisenden Schwingkreis. Der Empfänger weist
zwei Empfangsspulen 7, 8 auf, wobei die Empfangsspulen 7, 8 so
ausgebildet und angeordnet sind, daß der erfindungsgemäße induktive
Wegsensor 1 nach dem Transformatorprinzip arbeitet. Hierzu
sind bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1, 2 und 4 zwei Empfangsspulen 7, 8 vorgesehen,
die antiseriell angeordnet, d. h. die Empfangsspulen 7, 8 sind
gegensinnig gewickelt und in Reihe angeordnet. Ist dagegen nur eine
Empfangsspule 7 vorgesehen, wie dies in 7 dargestellt
ist, so sind die Windungen der Empfangsspule 7 so angeordnet,
daß pro
Windung zwei gegensinnige Teilwindungen 9, 10 vorhanden
sind. Bei dieser Art von "Differenz-Empfangsspule" 7 ändert sich
somit innerhalb jeder Windung der Wicklungssinn.
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Den
verschiedenen Darstellungen der Sendespule 5 und der Empfangsspulen 7 und 8 gemäß den 4 bis 8 kann entnommen
werden, daß zum
einen die Dicke der Windungen der Sendespule 5 größer als
die Dicke der Windungen der Empfangsspule 7, 8 ist,
daß zum
anderen die Sendespule 5 weniger Windungen als die Empfangsspule 7, 8 aufweist.
Dabei weisen sowohl die Sendespule 5 als auch die Empfangsspulen 7, 8 jeweils
relativ wenige Windungen auf. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 5 und 6 besteht
die Sendespule 5 aus insgesamt vier Windungen während die
beiden Empfangsspulen 7, 8 jeweils neun Windungen
aufweisen.
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Aus
den 4 und 6 ergibt
sich, daß bei
einem induktiven Wegsensor 1, bei dem eine lineare Positionserfassung
erfolgen soll, die beiden Empfangsspulen 7, 8 jeweils
eine dreieckförmige
Gestalt aufweisen, wobei eine lineare Erfassung der Position des
Beeinflussungselements 2 dann möglich ist, wenn das Beeinflussungselement 2 nicht über die
innere Spulenfläche
der Empfangsspulen 7, 8 hinausgeht. Dieser "lineare" Meßbereich
des induktiven Positionssensors 1 ist in 4b durch
die beiden jeweils gestrichelt angedeuteten Endpositionen des Beeinflussungselements 2' bzw. 2'' dargestellt. Hieraus wird ersichtlich,
daß durch
die geringe Windungszahl der Sendespule 5 und der Empfangsspulen 7 und 8 der
maximale Hub H des Beeinflussungselements 2 nur geringfügig kleiner
als die durch die äußeren Windungen
der Spulen 5, 7, 8 vorgegebenen Baulänge L des
induktiven Wegsensors 1 ist. Dabei ist die Gesamtbreite
der Windungen der Sendespule 5 – aufgrund der etwas größeren Dicke
und der geringeren Anzahl der einzelnen Windungen bzw. Leiterbahnen – etwa gleich
groß wie
die Gesamtbreite der Windungen der Empfangsspulen 7, 8.
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Zur
Erzielung eines induktiven Wegsensors 1, der nur einen
geringen Stromverbrauch aufweist und dennoch eine hohe Sendeleistung
erzeugt, so daß eine
aufwendige und damit bauteilintensive und teure Verstärkung des
Empfangssignals nicht erforderlich ist, ist der Oszillator 4 gemäß 3 als
Gegentaktoszillator ausgebildet. Der Gegentaktoszillator 4 weist
zwei Bipolartransistoren 11, 12 auf, wobei von
jedem Transistor 11, 12 nur eine Halbwelle des hochfrequenten
sinusförmigen
Sendesignals erzeugt wird. Ein Vorteil des Gegentaktoszillators 4 besteht darin,
daß die
beiden Bipolartransistoren 11, 12 ohne Ruhestrom
arbeiten, wodurch der Wirkungsgrad des Senders weiter verbessert
wird. Das Sendesignal kann dadurch weiter verbessert werden, daß die Sendeamplitude
des Gegentaktoszillators 4 durch einen – in 1 und 2 dargestellten – Regelkreis 13 stabil
gehalten wird.
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Wie
insbesondere in den 5, 6 und 8 dargestellt
ist, sind die einzelnen Windungen der Sendespule 5 und
der Empfangsspulen 7, 8 als Leiterbahnen auf einer
Leiterplatte 14 ausgebildet. Durch die Realisierung der
Sendespule 5 bzw. der Empfangsspulen 7, 8 als
geätzte
Spulen ist eine sehr flache Bauweise des induktiven Positionssensors 1 möglich. Dabei
kann die Windungszahl der Sendespule 5 und der Empfangsspulen 7, 8 ohne
Reduzierung des maximalen Hubes H dadurch erhöht werden, daß die Sendespule 5 und
die Empfangsspulen 7, 8 zwei lagig ausgebildet
sind. Hierzu kann einfach eine doppelseitig kaschierte Leiterplatte 14 verwendet
werden. Je nach Ausgestaltung des induktiven Wegsensors 1 kann
es sich bei der Leiterplatte 14 um eine starre Leiterplatte
(4b, 5, 6 und 8) oder eine
flexible Leiterplatte handeln, so daß auch eine rohrförmige Ausbildung
des induktiven Positionssensors 1 möglich ist, bei dem sich dann
das Beeinflussungselement 2 innerhalb des Rohres bewegen kann.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung der Sendespule 5 ist
in 5 dargestellt. Hierbei ist die
Sendespule 5 zweilagig ausgebildet, wobei auf beiden Seiten
der Leiterplatte 14 jeweils zwei Windungen 15', 15'' angeordnet sind. Insgesamt weist die
Sendespule 5 somit vier Windungen auf, die mittels Durchkontaktierungen 16 miteinander
verbunden sind. Die Sendespule 5 ist nun so aufgebaut,
daß die Windungen 15' der Sendespule 5,
die auf der der Empfangsspule 7, 8 zugewandten
Seite 17 der Leiterplatte 14 angeordnet sind,
eine geringere HF-Spannung
führen,
als die Windungen 15'' der Sendespule 5,
die auf der der Empfangsspule 7, 8 abgewandten
Seite 18 der Leiterplatte 14 angeordnet sind.
Dies wird dadurch erreicht, daß die
Sendespule 5 eine Mittenanzapfung 19 aufweist,
die mit der Versorgungsspannung, d. h. mit der Gleichspannung des
induktiven Wegsensors 1 verbunden ist.
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Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen induktiven
Wegsensors 1 weist die Auswerteeinheit 3 einen
Analogmultiplexer 20 als Synchron-Gleichrichter auf. Mit
einem derartigen Synchron-Gleichrichter wird sowohl die Amplitude
als auch die Phase des Empfangssignals gemessen. Die Amplitude ist
dabei ein Maß dafür, wie weit
das Beeinflussungselement 2 außerhalb der Mittenposition
angeordnet ist, während
aus der Phase die Information gewonnen werden kann, ob sich das
Beeinflussungselement 2 links oder rechts der Mittenposition
befindet. Der Takt des Multiplexers 20 wird dabei mit Hilfe
einer Taktgewinnungsschaltung 21 vom Sendesignal abgeleitet,
wobei in der Taktgewinnungsschaltung 21 ein Verzögerungsglied 22 vorgesehen
ist. Im einzelnen weist die Taktgewinnungsschaltung 21 zwei
Begrenzungsdioden und einen Kondensator als Verzögerungsglied 22 auf.
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Zur
Regelung der Sendeamplitude weist der Regelkreis 13 einen
Gleichrichter 23, einen Tiefpaß 24 und einen Regler 25 auf,
wobei der Gleichrichter 23 vorzugsweise durch einen dem
Analogmultiplexer 20 entsprechenden Analogmulti plexer gebildet
wird, um eine möglichst
geringe Temperaturdrift zu haben. Der Gleichrichter 23 erhält seinen
Takt ebenfalls vom Sendesignal wozu eine Taktgewinnungsschaltung 26 vorgesehen
ist, die jedoch im Unterschied zur Taktgewinnungsschaltung 21 einen
gegenüber
dem Sendesignal voreilenden Takt erzeugt.
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Im
Unterschied zur 1 zeigt die 2 eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen induktiven
Positionssensors 1, bei dem die Auswerteeinheit 3 einen
Asynchron-Gleichrichter 27 aufweist, wobei der Asynchron-Gleichrichter 27 beispielsweise durch
zwei vorgespannte spannungsverdoppelnde Dioden gebildet wird. Für die asynchrone
Dioden-Gleichrichtung wird die Phaseninformation des Empfangssignals
in eine Amplitudeninformation umgewandelt, was mittels einer Phasenvergleichsschaltung 28 erfolgt.
Die Phasenvergleichsschaltung 28 weist dazu einen Spannungsteiler 29 und
ein Phasenkorrekturglied 30 auf. Die mit Hilfe der Phasenvergleichsschaltung 28 erzeugte
Spannung addiert sich zu den an den beiden Empfangsspulen 7, 8 anliegenden
Spannungen zu einer Gesamtspannung, die durch geeignete Wahl des
Spannungsteilers 29 und des Phasenkorrekturglieds 30 so
einstellbar ist, daß die
Gesamtspannung bei der einen Endposition des Beeinflussungselements 2 Null
Volt und bei der anderen Endposition des Beeinflussungselements 2 beispielsweise
fünf Volt
beträgt.
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Wie
bei der Ausführung
gemäß 1 weist auch
bei der Schaltung gemäß 2 der
Regelkreis 13 zur Regelung der Sendeamplitude einen Gleichrichter 23,
einen Tiefpaß 24 und
einen Regler 25 auf, wobei der Gleichrichter 23 in
diesem Fall durch einen dem Asynchron-Gleichrichter 27 entsprechenden Asynchron-Gleichrichter gebildet
wird
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Den 1 und 2 ist
darüber
hinaus entnehmbar, daß dem
Multiplexer 20 bzw. dem Asynchron-Gleichrichter 27 ein
Widerstand 31 vorgeschaltet ist, durch den die Eigenresonanz
der Empfangsspulen 7, 8 reduziert wird. Dadurch
wird die Gefahr der Verzerrung des Empfangssignals durch Oberwellen
weiter reduziert. Außerdem
sind dem Multiplexer 20 bzw. dem Asynchron-Gleichrichter 27 ein
Tiefpaß 32 und
eine Pegelanpassung 33 nachgeschaltet. Durch die Pegelanpassung 33 können für die beiden
Endpositionen und die Mittenposition des Beeinflussungselements 2 die
gewünschten
Spannungswerte eingestellt werden. Schließlich ist in den beiden Figuren
noch eine Anstoß-Steuerhilfe 34 dargestellt, durch
die ein erhöhter
Einschaltstrom beim Einschwingen eines Schwingkreises mit sehr niedriger
Güte Q
verhindert wird. Hierzu wird der Gegentaktoszillator 4 über seine
Stromversorgung mit einer sehr steilen Flanke angestoßen, wodurch
die Verweildauer des Gegentaktoszillators 4 im linearen Arbeitsbereich
der Transistoren 11, 12 deutlich verkürzt wird.
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Insgesamt
wird durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen ein induktiver Wegsensor 1 zu
Verfügung
gestellt, der eine sehr geringe Baugröße und ein sehr gutes Verhältnis von
Hub zu Baulänge
aufweist, wobei der Positionssensor 1 nur relativ wenige Bauteile
benötigt,
insbesondere ohne Ferrite auskommt, und bei nur geringem Energiebedarf
einen genauen, linearen analogen Ausgang liefert.