DE3244891A1

DE3244891A1 - Elektronischer positionsgeber

Info

Publication number: DE3244891A1
Application number: DE19823244891
Authority: DE
Inventors: Hans-Diedrich Dipl.-Ing. 2057 Reinbek Kreft
Original assignee: Angewandte Digital Elektronik GmbH
Current assignee: Angewandte Digital Elektronik GmbH
Priority date: 1982-12-04
Filing date: 1982-12-04
Publication date: 1984-06-07
Also published as: JPS59141003A; US4652821A; JPH047442B2; GB2131554B; FR2537268B1; GB8332033D0; GB2131554A; FR2537268A1; DE3244891C2

Description

1\λϊ ';V-m§ zur berührungslosen Positionsmessung,. elektrot "scher Positionsgeber

Die-Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen Positionsmessung auf elektrisch/elektronischer bzw. magnetisch/elektronischer Grundlage., die geeignet ist» mechanisch unbeeinflußte;, elektronisch auswertbare Positionsmessungen eines bewegten oder ruhenden Teils des Positions Indikators«, insbesondere auch Längenmessungen, durchzuführen, wobei es das besondere Ziel der Erfindung ist_B unabhängig von Umwelteinflüssen und Änderungen elektrischer Parameter eine eindeutige Zuordnung zwischen elektronischem Signal und Position (Länge) zuzulassenj, ohne daß eine Eichung elektrischer Größen in Positions- oder Längeneinheiten erforderlich ist und wobei die Erkennung der Position oder Längenstellung des Positionsindikators schon beim Einschalten des Gerätes sofort und ohne Eichung gegeben-ist.

Es sind unter der Bezeichnung "Differentialtransformatoren" Systeme bekannt., welche die Eintauchtiefe eines Kerns in einer Spule oder einem Spulenpaar als elektrisches Signal messen, welches über eine Eichtabelle in Längeneinheiten umgewandelt werden kann» Auch Differential transformatoren arbeiten berührungslos „ haben!- aber den Nachteil daß das Äusgangssignal mit seiner absoluten GrOBe₅, in die naturgemäß alle Umwelteinflüsse wie Temperatur» Änderung der elektrischen Parameter,, Abstand des Ferrites von den Spulen - eingehen_s auch Auswirkungen auf die Genauigkeit der Längenmessung haben» Insbesondere ist bei den Different!altransformatoren ein genauer elektronischer Nullabgleich erforderlich;, der die Nullstellung des eingeführten Ferriten zwischen den Spulen angibt.

Die Erfindung besteht in ihren Grundzügen darin, daß an einem bewegbaren oder ruhenden,, der Positionsbestimmung unterworfenen Teil ein in einem elektromagnetischen Wechselfeld ein

Verbraucher darstellendes oder Feldlinien aussendendes Element als Positionsindikator vorgesehen ist» und daß diesem Element ein Sensorenträger räumlich benachbart zugeordnet ist, der eine Mehrzahl von elektrisch voneinander getrennten Einzelsensoren aufweist» wobei jeder dieser Einzelsensoren an Gleichoder Wechselspannung legbar ist, und eine Abfrage- und Auswerteinrichtung vorgesehen ist, mit der jeder der Einzelsensoren zwecks Feststellung seines von der Position des ortsveränderlichen oder ruhenden Positionsindikators abhängigen Ausgangsignals verbindbar ist.

Eine andere mögliche Verkörperung des Erfindergedankens wird gesehen, daß der Positionsindikator aus einer Spule besteht, und daß der Sensorträger aus einzelnen, voneinander getrennten Spulenwindungen gebildet ist.

Eine andere mögliche Verörperung des Erfindungsgedankens wird darin gesshen, daß der Positionsindikator ein Permanentmagnet ist, und daß der Sensorenträger Einzel sensoren in Gestalt von magnetfeiiempfindlichen Sensoren aufweist.

Es ist ein besonderes Charakteristikum der Erfindung, daß ein mechanischer Rotor oder ein elektronischer Multiplexer vorgesehen ist, an den die Einzelsensoren zwecks getrennter Oberleitung ihrer Ausgangssignale anschließbar sind und daß mit Hilfe einv.r geeigneten elektronischen Äuswerteinrichtung (z. B. einem Mikroprozessorsystem) die phänomenologische Charakteristik wio Maximum oder Miniraum der zu einem Kurvenzug verbundenen Werte der Sensoren herangezogen wird und nicht die skalare Größe (Höhe) das Indiz für die Position des Positionsindikators ist.

Die Erfincung wird an Hand der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausfürrungsbeispiele näher erläutert. In Figur 2 ist in einem Diagramm die beispielsweise Abhängigkeit der unterschiedlichen IndOktionssignale, wie sie durch die Anordnung der Figur 1 gewonnen werden kann, von der Position des Positionsin-

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dikators veranschaulicht.

In Figur S sind der Spule L 0 mit ihrem Verbrauchswiderstand Ri die Spulen L t bis L 21 benachbart (gegenüber) angeordnet» Die Spule L S Ist auf einem Träger (z. B. Ferrit) angeordnet und über den Hiderstand Ri (z. B. Widerstand des Spulendrahtes) abgeschlossen= Die Spule L 1 stellt also in einem elektromagnetischen Hechseifeld einen Verbraucher dar.

Die Spulen L I bis L Zi sind in herkömmlicher Meise gewickelt und ebenfalls auf Spulenträgern (Ferriten) angebracht» Es sind alle Spulen₀ L I bis L 21, elektrisch und räumlich voneinander,getrennt auf unterschiedlichen Ferriten in gleicher mechanischer Anordnung mit definiertem Abstand angebracht. Wird nun an die einzelnen Spulen nacheinander oder gleichzeitig ein Spannungspuls oder eine elektronmagnetische Spannung angel egt₉ unterscheiden sich die Signale an den einzelnen Spulen L 1 bis L Zi₉ je nachdem in welcher Position die Spule L 0 als Positionsindikator zu einer der gegenüberliegenden Spulen steht. Werden also die einzelnen Spulen mit Hilfe ff 1 (das ist im einfachsten Fall ein mechanischer Rotor_s günstiger ein elektronischer Multiplexer) abgefragt sind die unterschiedlichen Signaleingänge unmittelbar ein Maß für die Position von L 0. Bei gleichmäßiger Anordnung der Spulen L 1 Ms L 21 (die Zahlen können beliebig gewählt werden) ist der Zusammenhang zwischen elektronisches Signal und Position einfach zu ermitteln, da. die Gesamtlänge der angeordneten Spulen nur duτη Ihre Anzahl zu teilen Ist und jede Spule so mit ihrem Sign.il genau eine Positioini markiert»

Eine mehrschesratische Darstellung ist in Figur 4 gegeben. Die einzelnen Spulen L I, L Z bis L η werden von einem Sinusgenerator versorgt und sind über die einzelnen Widerstände R ί₀ R Z Ms R ta geerdet. Ein Änalogmultiplexer schaltet die einzelnen Spulen nacheinander über einen Operationsverstärker

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(OP)₀ eine Gleichrichtung (Diode) und eine Sample und Hold und einen Analogdigitalwandler an ein Mikroprozessorsystem.

In Figur 3 ist ein Längen- und Positionssensor mit Magnetodioden aufgebaut. Um einen geringen Leistungsverbrauch der parallel anliegenden Magnetdioden zu erreichen₉ werden diese über einen Demultiplexer und über Transistoren einzeln an Ground gelegt. Gleichzeitig werden über einen Analogmultip lexer die Spannungsabfälle an den Magnetodioden über die Widerstände R 1 bis R η abgefragt»

Die unterschiedlichen Sensorsignale (Usensor) sind in Figur 2 in Abhängigkeit von der Position der einzelnen Sensoren η 1 bis η 21 dargestellt. Wie ersichtlich, ergeben sich unterschiedliche Kurvenverläufe für die Positionen des Positionsindikators. Dort_s wo die Sensorspannung ihr Minimum hat, in den Punkten P 1 _a P 2 ist jeweils die Position für den Positionsindikator gegeben. Wie ersichtlich, ist nicht die quantitative Charakteristik der Punkte P.1, P 2 (Höhe des Spannungssignales) für die Position des Positionsindikators charakteristisch, sondern der phänomenologischf! Teil eines Minimums dieser Kurve. Die Elektronik E 1 kann dieses Pänomen leicht auswerten und die Stellung des Positionsindikators direkt in Längeneinheiten angeben.

Als Vorteile des Systems sind anzuführen„ daß Zuleitungen zum bewegten Teil und damit auch eine Abnutzung von Kontakten, ßeansprucf'ung von Lei tungsverbi ndungen und Zuführungen durch Bewegung, entfallen. Das gleiche gilt für Schwierigkeiten hinsichtlich Kontaktverschmutzungen, die hier keine Rolle mehr spielen.

Die Erfindung ermöglicht eine genau vorgegebene geometrische Anordnung der Sensorelemente nach Einheit, z. B. Länge und Abstand, auch nach Form, z. B. eine Kurvenanordnung der Sensorelemente, wodurch die Angabe einer Position in abso-

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Iutön T'«heften durchführbar ist. Es ist also die Stellung des Posit ansindikators auf einer Kreisstrecke (Türstellung₉ Bremspedalsttllung_s Rückenlehne, Winkelanzeige und dergl. mehr) darbietbar.

Schließlich sei als ganz wesentliches Vorteilsargument die Veraendung der Multiplexung hervorzuheben, die es u. a. ermöglicht, auch in Ruheposition des Positionsindikators sowie bei Einschalten der Elektronik (ohne Eichlauf) durch Auswertung der Phänomenologie einer Kurve die Stellung des Indikators zu erhalten,, was gewährleistet, daß bereits beim Einschalten die eindeutige Position eines Teils,, bzw. eines Ventils., erkennbar ist.

Erwähnt sei bei diesem System als Vorteil noch, daß es keiner genauen mechanischen Justierung bedarf. Der S'ositionsindikator muß nicht in einem genau festgeschriebenen und gleichen Abstand zu den Sensoren stehen, es genügt, wenn der Abstand des Positionsindikators in einem gewissen Toleranzbereich ■ zu den Sensorelementen steht. Ferner ist für das System keine Mullpunkt-Eichung erforderlich. Es genlgt, wenn dem System (z. B. durch Knopfdruck) mitgeteilt wird,, daß die Position P 2 der Nullpunkt sein soll. Die Elektronik kann diesen Wert abspeichern und alle Äbweichunger von diesem Wert - sowohl nach Plus wie nach Minus - mit richtigen Vorzeichen als Positionsabweichungen angeben= Der Nullpunkt ist also beliebig wählbar. Die Genauigkeit des Systems ist im wesentlichen bestimmt durch die mögliche Anzahl von einzelnen Spulen auf einer Längeneinheit. Werden geeignete Herstellungsverfahren für die Sensoren gewählt, wie sie heute in der Halbleitertechnik üblich sind_a kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung sehr hoch sein» Die Länge der Äuslenkungsmessung ist in weiten Bereichen frei wählbar und hängt im wesentlichen nur von der Abführung der Anzahl der Sensoranschlüsse ab„

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Ein weiterer, bereits angedeuteter Vorteil ist_s daß beim Einschalten des Systems sofort, ohne daß eine Bewegung des Positionsinciikators stattfinden muß, die Stellung des Positionsindikators, gegeben ist. Dies ist besonders vorteilhaft beim Anfahren \on Ventilen, bei denen während des Einschaltvorganges hätfig nicht bekannt ist, welche Position das Ventil einnimmt.

Es ist ersichtlich, daß mit diesem System Auslenkungen von Ventilen, Schwingförderern und ähnlich bewegten Teilen leicht in absoluten Längeneinheiten möglich ist. Ober die Elektronik wird cie Länge gemessen, und dem bewegten System wird durch einen Stellmotor, eine Phasenanschnittsteuerung (letzlich gerecelte Leistungszufuhr} mitgeteilt, welche Position einzuhalten ist.

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3 Leerseit

Claims

Patentanspruch?

A(JL/ Einrichtung zur berührungslossen Positionsmessung, dadurch gekennzeichnet, daß an einem bewegbaren oder ruhenden, der Positionsbestimmung unterworfenem Teil ein in einem elektromagnetischen Wech^elfeld einen Verbraucher darstellendes oder Feldlinien aussendendes Element als Positionsindikator vorgesehen ist, und daß diesem Positionsindikator ein Sensorenträger räumlich benachbart zugeordnet ist, der eine Mehrzahl von elektrisch und räumlich voneinander getrennten Einzelsensoren aufweist, wobei jeder dieser Einzelsensoren an Gleich- oder Wechselspannung legbar ist, und eine Abfrage- und Auswerteinrichtung vorgesehen ist, mit der jeder der Einzelsensoren zwecks Feststellung seines von der Position des ortsveränderlichen oder ruhenden Positionsindikators abhängigen Ausgangssignals verbindbar ist«.

A 2„ Einrichtung nach A 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsindikator aus einer Spule (L 0) besteht, und daß der Sensorenträger einzelne, voneinander getrennte Spulen (L 1 bis L 21) enthält»

A 5ο Einrichtung nach A 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsindikator aus einem Material relativer Permeabilität /ir, z.B. einem Ferriten, besteht»

A 4·. Einrichtung nach A 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Positionsindikator ein Permanentmagnet vorgesehen ist, und daß der Sensorenträger Einzelsensore in Gestalt von Hallelementen oder magnetfeldempfindlichen Dioden oder magnetfeldempfindlichen Widerständen oder magnetfeldempfindlichen Transistoren oder magnetfeldempfindlichen Kapazitäten oder magnetfeldempfindlichen Induktivitäten enthält.

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A 5- Einrichtung nach A 1 bis A 4-, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanischer Rotor oder ein elektronischer Multiplexer vorgesehen ist, an den die Einzelsensoren zwecks getrennter Überleitung ihrer Ausgangssignale an eine Auswerteinrichtung anschließbar sind.

A 6. Einrichtung nach A 1 bis A 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Auswertvorrichtung unabhängig von der Höhe der geweiligen Sensorsignale jeweils den charakteristischen Punkt des Minimums oder Maximums der interpolierten Sensorsignale oder einen anderen charakteristischen Punkt der interpolierten Sensorsignale als Position für die Stellung des Positionsindikators nimmt und somit auch Positionsbestimmungen zwischen den einzelnen Sensorelementen zuläßt.

A 7· Einrichtung nach A 1 bis A 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente in genormten Längeneinheiten geradlinig oder kurvenförmig angeordnet sind und die PostionsDeStimmung ohne Zusatzmaßnahmen eine geeichte Längenbestimmung oder Winkelbestimmung ist.

A 8. Einrichtung nach A 1, dadurch gekennzeichnet, daß der unbewegliche und bewegliche Teil miteinander vertauscht sind.