DE19612835A1 - Lage- oder Wegsensor - Google Patents
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Description
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.
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.
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.
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 ωo 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 (8)
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.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8141 | Disposal/no request for examination |