DE19612835A1

DE19612835A1 - Lage- oder Wegsensor

Info

Publication number: DE19612835A1
Application number: DE19612835A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Dipl Ing Leutner; Wilhelm Dipl Ing Blumendeller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-03-30
Filing date: 1996-03-30
Publication date: 1997-10-02
Also published as: EP0798502B1; EP0798502A1; DE59704160D1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Lage- oder Wegsensor, insbe sondere für ein hydraulisches oder pneumatisches Regelven til, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist bereits eine Regelventil aus der EP 0 183 919 B1 bekannt, bei dem die Messung der Stellung des Ventilkolbens über ein induktives Meßsystem erfolgt, das im Prinzip als Differentialdrossel oder Differentialtransformator ausge bildet ist. Hier befindet sich ein mit dem Kolben oder Schieber des Ventils verbundener Wegaufnehmerkern in einem Druckrohr aus unmagnetischem Material im Einflußbereich der um das Druckrohr herum angebrachten induktiven Anordnung. Durch eine Ansteuerung der induktiven Anordnung mit Recht eckimpulsen und die Messung des durch die Kolbenstellung beeinflußten Stromanstiegs lassen sich der Kolbenstellung entsprechende digitale Signale gewinnen, die einer Auswer teschaltung oder einem Regelkreis zuführbar sind.

Die maximal auswertbare Phasenverschiebung beträgt bei dem oben beschriebenen bekannten Ventil jedoch nur 90° und ist über einen relativ weiten Bereich einer Induktivitätsände rung gestreckt, was zu einer eingeschränkten Auflösung führt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Lage- oder Wegsensor der gattungsgemä ßen Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und den Weiterbildungen nach den rückbezogenen Ansprüchen ist insofern vorteilhaft, als mit der erfindungsgemäßen An wendung eines Schaltkreises 2. Ordnung insbesondere für eine schnelle und steife Lageregelung eines Regelventils kürzere Abtastzeiten als beim Stand der Technik realisiert werden können.

Bei dem erfindungsgemäßen Schaltkreis 2. Ordnung beträgt der erzielbare Phasenhub bei der Auswertung der durch eine La geänderung bewirkten Phasenverschiebung eines von einer Wechselspannungsquelle erzeugten Erregersignals 180° gegen über 90° bei einem Schaltkreis 1. Ordnung mit einer Zusam menschaltung von Induktivitäten und ohmschen Widerständen. Durch die relativ große erzielbare Phasenverschiebung sind auch die sich ergebenden Zeitfenster in der digitalen Aus werte- oder Regelschaltung erheblich vergrößert und damit ist die Auflösung des Weg- oder Lagesensors bei kurzen Ab tastzeiten in vorteilhafter Weise verbessert.

Weiterhin ist es bei dem erfindungsgemäßen Schaltkreis 2. Ordnung durch eine hinreichend kleine Dämpfung des Schaltkreises in vorteilhafter Weise möglich, nahezu den gesamten Phasenhub in die unmittelbare Umgebung der Reso nanzfrequenz der Spulenanordnung zu legen. Hierdurch können dann bereits durch kleine induktive Änderungen meßbare Pha senschübe erzielt werden. Die Erregerfrequenz für den schwingfähigen Schaltkreises 2. Ordnung sollte dazu in der Nähe der Resonanzfrequenz dieses Schaltkreises bei einer Mittelstellung des Hubkolbens liegen.

Eine vorteilhafte digitale Auswertung der Ausgangssignale der Spulenanordnung ist mit den in den Unteransprüchen an gegebenen Beispielen für eine Auswerteschaltungen möglich, wobei eine genaue Erfassung der absoluten Lage beispiels weise eines Hubkolbens einschließlich der Richtung der Ab weichung von einer Mittellage sichergestellt ist. Die Aus wertung der oben erwähnten Zeitfenster kann innerhalb einer Periode des von der Wechselspannungsquelle erzeugten Erre gersignals entweder zweimal oder bei asymmetrischen Signal verläufen nur einmal erfolgen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lage- oder Wegsensors wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines solchen Sensors mit einem ersten Beispiel einer Auswerteschaltung der Phasenver läufe im Sensor;

Fig. 2 ein Diagramm der Phasenverläufe der auszuwer tenden Signale;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer digitalen Auswerteschaltung für die Phasenverläufe;

Fig. 4 ein auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 bezogenes Diagramm der Phasenverläufe und der resultie renden Digitalsignale und

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der digitalen Auswerteschaltung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Ventilteil 1 als Ausschnitt aus einem an sich bekannten hydraulischen oder pneumatischen Regelventil dargestellt, das ein Druckrohr 2 mit einem Druckmedium auf weist. Mit einem nicht näher gezeigten Ventilschieber ist eine Stange 3 verbunden, an die sich ein Kolben 4 als Wegaufnehmerkern anschließt. Im Einflußbereich des Kolbens 4 befinden sich außerhalb des Druckrohres 2 eine erste Spu le 5 und eine zweite Spule 6, die beide auf das Druckrohr 2 aufgesteckt sind. Jeweils ein Anschluß der Spulen 5 und 6 sind mit dem Ausgang einer Wechselspannungsquelle 17 ver bunden, die entweder ein sinusförmiges Ausgangssignal U_*sinω t oder vorzugsweise auch ein Rechtecksignal abgibt.

Der andere Anschluß der ersten Spule 5 ist über einen Kon densator 7 und der andere Anschluß der zweiten Spule 6 ist über einen Kondensator 8 an Masse geführt. Der Verbindungs punkt zwischen der Spule 5 und dem Kondensator 7 ist mit einem Komparator 9 und der Verbindungspunkt zwischen der Spule 6 und dem Kondensator 8 ist mit einem Komparator 10 verknüpft. Der Ausgang des Komparators 9 steht einerseits mit einem Eingang eines Exclusiv-ODER-Gliedes 14 und ande rerseits mit dem Setzeingang D eines Flip-Flops 13 in Ver bindung.

Der Ausgang des Komparators 10 ist mit dem weiteren Eingang des Exclusiv-ODER-Gliedes 14 verbunden. Der Ausgang des Exclusiv-ODER-Gliedes 14 steht mit dem Start-Stop-Eingang eines Zählers 15 in Verbindung, wobei der Takteingang des Zählers 15 mit dem Ausgang eines Taktgenerators 16 in Ver bindung steht.

Am Ausgang des Zählers 15 ist je nach Ausführung des Zäh lerbausteins in serieller oder in paralleler Form das Zählergebnis zwischen dem Start- und dem Stop-Signal ab greifbar. Diese Zählergebnis kann einer weiteren digitalen Schaltung bzw. einem Rechner zugeführt werden, wobei digi tale Regelbausteine auch direkt mit diesem Ausgangssignal zu beaufschlagt werden können. Am Ausgang Q des Flip-Flops 13 ist darüber hinaus ein Vorzeichen- bzw. Richtungssignal abgreifbar, welches angibt in welcher Richtung der Kolben 4 aus seiner Ruhelage zwischen den beiden Spulen 5 und 6 ver schoben ist.

Die Funktion des dargestellten Ausführungsbeispiels wird im folgenden unter Einbeziehung von Fig. 2 erläutert. Die Wechselspannung der Wechselspannungsquelle 17 als Erreger signal bewirkt in den Spulen 5 und 6 einen Spulenstrom, der an den Verbindungspunkten zu den Kondensatoren 7 und 8 zu Spannungsabfällen führt. Die Phasenverschiebung dieser bei den Spannungen zueinander ist ein Maß für die Stellung des Kolbens 4 außerhalb der Mittellage zwischen den beiden Spu len 5 und 6. Der Phasengang ϕ in Abhängigkeit von einer durch eine solche Lageveränderung bewirkte Induktivitätsän derung ist in der Fig. 2 dargestellt. Diese durch eine Kolbenbewegung verursachte Induktivitätsänderung korreliert hier mit einer Frequenzänderung Δf, wobei die Phasenände rung Δϕ im Bereich der Resonanz ω_o erfolgt.

Für den Fall, daß der Kolben 4 sich genau in der Mitte zwi schen den beiden Spulen 5 und 6 befindet, ergibt sich eine identische Phasenlage der beiden Signale an den Verbin dungspunkten zu den Kondensatoren 7 und 8, so daß die Kom paratoren 9 und 10 zu gleichen Zeiten schalten und damit das Zeitfenster Δt = 0 ist. Bei einer Verschiebung aus die ser Mittellage des Kolbens 4 ergibt sich hier eine unter schiedliche Phasenlage der beiden Signale gemäß des Phasen verlaufs nach der Fig. 2 und somit schalten die Komparato ren 9 und 10 zeitlich unterschiedlich und erzeugen damit das für die Auswertung erforderliche Zeitfenster Δt.

Die Ermittlung der Länge des Zeitfensters Δt erfolgt mit dem digitalen Zähler 15, wobei zusätzlich ein Richtungs signal der Phasenänderung mit dem Flip-Flop 13 erfaßt wird und ebenfalls zur Weiterverarbeitung zur Verfügung steht. Diese an sich aus der EP 0 183 919 B1 bekannte Auswertung dieser Schaltzeitverschiebung erlaubt damit eine Erfassung des Lage- oder Wegsignals des Kolbens 4. Beim erfindungsge mäßen Ausführungsbeispiel beträgt die maximal auswertbare Phasenverschiebung jedoch 180°, wie es aus der Fig. 2 er sichtlich ist, womit eine deutlich gesteigerte Auflösung erreicht wird.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Auswerteschal tung nach Fig. 3 sind die Spulen 5 und 6 (vgl. Fig. 1) schematisch dargestellt; die Ausgangssignale der Komparato ren 9 und 10 werden hier jedoch im Unterschied zum Ausfüh rungsbeispiel nach der Fig. 1 über ein Exclusiv-ODER-Glied 31 (XOR) auf den Setzeingang D eines Flip-Flops 32 geführt. Zum besseren Verständnis dieses Ausführungsbeispiels wird zusätzlich auf das Diagramm nach Fig. 4 verwiesen.

Die Ausgangssignale der Spulen 5 und 6 sowie das von einem Komparator 30 umgewandelte Erregersignal sind oben in die sem Diagramm gezeigt. Das Ausgangssignal des Komparators 9 ist darunter mit einem durchgehenden Strich und das Aus gangssignal des Komparators 10 mit einem unterbrochenem Strich gezeichnet. Daraus wird mit dem Exclusiv-ODER-Glied 31 ein Signal für die Dauer dieses Zeitfensters Δt erzeugt in dem durch jeweils einem der Komparatoren 9 oder 10 ein "0"-Signal und bei dem jeweils anderen ein "1"-Signal erzeugt wird. Die Länge des Zeitfensters Δt ist somit auch hier ein Maß für die Phasenverschiebung zwischen den Ausgangs signalen der Spulen 5 und 6.

Bei der Auswerteschaltung nach Fig. 3 wird dieses Zeitfen ster Δt mit einem Zähler 33 erfaßt. Um keine undefinierten Zählzustände im Zähler 33 aufkommen zu lassen, wird der Zähler 33 ebenso wie das Flip-Flop 32 mit dem Ausgangs signal des Taktgenerators 16 synchron angesteuert, damit das auszuwertende Zeitfenster Δt über das Flip-Flop 32 mit dem Zähler 33 synchronisiert werden kann.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 sowie nach den bisher beschriebenen Schaltungsteilen der Fig. 3 wird der Zähler 15 (Fig. 1) bzw. Zähler 33 (Fig. 3) veranlaßt, das Zeitfenster Δt jeweils zweimal während der Periode des Ausgangssignals der Spulen 5 und 6 zu zählen. Ein Vorzei chenwechsel kann jedoch hier zunächst nicht erkannt werden, da ein Vorzeichensignal nur einmal während einer Periode erzeugt wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 wird zusätzlich zu den Ausgangssignalen der Spulen 5 und 6 noch das Erre gersignal der Wechselspannungsquelle 17 zur Auswertung her angezogen. Dadurch, daß bei jeweils einem weiteren Exclu siv-ODER-Glied 34 und 35 für die Ausgangssignale der Kompa ratoren 9 und 10, mit jeweils nachgeschaltetem NAND-Glied 36 und 37, auch noch das Erregersignal herangezogen wird, kann auch ein Vorzeichensignal zweimal während der Periode der Spulensignale erzeugt werden. Ein Vorzeichenwechsel während einer Periode wird somit jederzeit erkannt.

Um ein digitales Lagesignal des Sensors unabhängig von den Taktzyklen des Sensors aus der Auswerteschaltung auslesen zu können, ist dem Zähler 33 ein Register 38 nachgeschal tet. Die Übergabe der Zählerstände zum Register 38 und das anschließende Rücksetzen des Zählers 33 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel über zwei hintereinandergeschaltete NAND-Glieder 39 und 40. Das erste NAND-Glied 39 sorgt für einen Start der Übergabe des Zählerstandes an das Register 38 nach dem Ende des Zeitfensters Δt, wobei sichergestellt wird, daß aufgrund der Schaltzeit des NAND-Gliedes 39 der Zählvorgang im Zähler 33 auch beendet ist. Auch der Rück setzimpuls des zweiten NAND-Gliedes 40 erfolgt derart, daß aufgrund der Schaltzeit die Übertragung ins Register sicher beendet wurde. Falls die vorhandenen Schaltzeiten der NAND-Glie der 39 und 40 nicht ausreichen, können hier zur Zeit verzögerung noch zusätzliche AND-Glieder nachgeschaltet werden.

An einem digitalen Ausgang 41 der Auswerteschaltung nach der Fig. 3 liegt somit ständig ein auswertbares Lagesignal aus dem Register 38 auslesbar, wobei ein zusätzlich aufge schaltetes Vorzeichensignal auch die Richtung einer Ver schiebung aus der Mittellage angibt. Dies Vorzeichensignal (vgl. auch Fig. 4) wird aus den Ausgangssignalen der NAND-Glie der 36 und 37 über ein Flip-Flop 42 jeweils zweimal während der Periode der Ausgangssignale der Spulen 5 und 6 gebildet.

Mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist eine Auswerte schaltung realisiert, die im Unterschied zu den vorher be schriebenen nur eine einmalige Auswertung der Phasenlage der Ausgangssignale der Spulen 5 und 6 während einer Peri ode vornimmt. Dieses Ausführungsbeispiel wird bei Sensoren angewandt, bei denen aufgrund einer Asymmetrie der Spulen signalverläufe zwei unterschiedlich lange Zeitfenster Δt im Verlauf einer Periode entstehen würden und somit keine eindeutige Erfassung eines Lagesignals mit einer zweimali gen Auswertung möglich ist.

Das Ausgangssignal des Exclusiv-ODER-Gliedes 31 wird bei diesem Ausführungsbeispiel über ein AND-Glied 43 mit dem Erregersignal der Wechselspannungsquelle 17 verknüpft und über das Flip-Flop 42 dem Zähler 33 zugeführt. Die Bildung des Vorzeichensignals kann hierbei direkt aus den Ausgangs signalen der Komparatoren 9 und 10 über das Flip-Flop 42 erfolgen.

Claims

1. Lage- oder Wegsensor zur Erfassung einer Ventilstellung, mit

- einem sich mit einem Kolben (4) des Ventils bewegenden Wegaufnehmerkern, der sich im Einflußbereich einer induktiven Anordnung (5, 6) befindet und
- einer Auswerteschaltung zur Beaufschlagung der induktiven Anordnung (5, 6) mit einer Wechselspannung und zur Messung der durch eine Lageänderung des Kolbens (4) hervorgerufenen Ver stimmung der induktiven Anordnung (5, 6), dadurch gekennzeich net, daß
- die induktive Anordnung (5, 6) mit Kapazitäten (7, 8) zu ei nem Schaltkreis 2. Ordnung zusammengeschaltet und mit einer Wechselspannung beaufschlagt ist.

2. Lage- oder Wegsensor nach Anspruch 1, der als induktive Anordnung (5, 6) mindestens zwei in der Bewegungsrichtung des Kolbens (4) nebeneinander angeordneten Spulen (5, 6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

- jede Spule (5, 6) mit einem Kondensator (7, 8) in Reihe ge schaltet ist und daß eine Phasenverschiebung der jeweiligen gemessenen Wechselspannung zueinander, zwischen den Verbin dungspunkten der jeweiligen Spule (5, 6) und dem jeweiligen Kondensator (7, 8), auswertbar ist.

3. Lage- oder Wegsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß

- die Erregerfrequenz der Wechselspannung in der Nähe der Re sonanzfrequenz des Schaltkreises 2. Ordnung liegt.

4. Lage- oder Wegsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Auswerteschaltung zur Erfassung der Länge eines durch die Phasenverschiebung bewirkten Zeitfensters Δt ein dem Zähler (33) nachgeschaltetes Register (38) aufweist in das die jeweiligen Zählergebnisse einlesbar sind.

5. Lage- oder Wegsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß

- das Einlesen der Zählerstände in das Register (38) und das Rücksetzen des Zählers (33) mit den Ausgangssignalen zweier hintereinandergeschalteter NAND-Glieder (39, 40) gesteuert wird, wobei diese NAND-Glieder (39, 40) vom Signal des Zeit fensters Δt angesteuert sind.

6. Lage- oder Wegsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge kennzeichnet, daß

- Schaltungsbausteine (34, 35, 36, 37, 42) zur Ermittlung eines Vorzeichensignals mit den Ausgangssignalen der Komparatoren (9, 10) und dem Erregersignal der Wechselspannungsquelle (17) derart beaufschlagt sind, daß ein von der Richtung der Pha senverschiebung abhängiges Vorzeichensignal zweimal während der Periode der Wechselspannung erzeugbar ist.

7. Lage- oder Wegsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß

- die Schaltungsbausteine (34, 35, 36, 37, 42) jeweils eine Rei henschaltung eines Exclusiv-ODER-Gliedes (34, 35) mit einem NAND-Glied (36, 37) bilden, wobei ein Eingang des Exclu siv-ODER-Gliedes (34) mit dem Ausgangssignal des Komparators (9) und ein Eingang des Exclusiv-ODER-Gliedes (35) mit dem Aus gangssignal des Komparators (10) und die jeweils zweiten Ein gänge der Exclusiv-ODER-Glieder (34, 35) mit dem Erregersignal beaufschlagt sind und daß
- die Ausgänge der NAND-Glieder (36, 37) mit jeweils einem Eingang eines Flip-Flops (42) verbunden sind, wobei das Aus gangssignal des Flip-Flops (42) das Vorzeichensignal dar stellt.

8. Lage- oder Wegsensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Flip-Flop (42) zur Ermittlung eines Vorzeichensignals direkt mit den Ausgangssignalen der Komparatoren (9, 10) der art beaufschlagt ist, daß ein von der Richtung der Phasenver schiebung abhängiges Vorzeichensignal einmal während der Pe riode des Erregersignals erzeugbar ist und daß
- das Ausgangssignal des Exclusiv-ODER-Gliedes (31) und das Er regersignal über ein AND-Glied (43) auf das Flip-Flop (32) ge führt sind.