DE3244891C2 - Einrichtung zur berührungslosen Positionsmessung - Google Patents

Abstract

Bei einer Einrichtung zur berührungslosen Positionsmessung ist einem bewegbaren oder ruhenden Teil, der in einem Wechselfeld einen Verbraucher darstellt oder als Feldlinien aussendendes Element ausgebildet ist, ein Sensorenträger räumlich benachbart zugeordnet, 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.

Description

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

Eine andere mögliche Verkörperung des Erfindergedankens wird darin gesehen, daß der Positionsindikator ein Permanentmagnet ist, und daß der SensorerUräger Einzelsensoren in Gestalt von magnetfeldempfindlichen Sensoren aufweist.

Es ist ein besonderes Ckarakteristikum 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 einer geeigneten elektronischen Auswerteinrichtung (z. B. einem Mikroprozessorsystem) die phänomenologische Charakteristik wie Maximum oder Minimum 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 Erfindung soll nachfolgend anhand der in den F ι g. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In F i g. 2 ist in einem Diagramm die beispielsweise Abhängigkeit der unterschiedlichen Induktionssignale, wie sie durch die Anordnung der F i g. 1 gewonnen werden kann, von der Position des Positionsindikators veranschaulicht

In F i g. 1 sind der Spule L 0 mit ihrem Verbrauchswiderstand Ri alt Spulen L 1 bis L 21 benachbart (gegenüber) angeordnet. Die Spule L 1 ist auf einem Träger (z. B. Ferrit) angeordnet und über den Widerstand Ri (z. B. Widerstand des Spulendrahtes) abgeschlossen. Die Spule L1 stellt also in einem elektromagnetischen Wechselfeld einen Verbraucher dar.

Die Spulen L 1 bis L 21 sind in herkömmlicher Weise gewickelt und ebenfalls auf Spulenträgern (Ferriten) angebracht Es sind alle Spulen, L 1 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 elektromagnetische Spannung angelegt, unterscheiden sich die Signale an den einzelnen Spulen L 1 bis L 21. je nachdem in welcher Position die Spule L 0 als Positionsindikator zu einer der gegenüberliegenden Spulen steht. Werden also die einzelnen Spuien mit Hilfe MX (das ist im einfachsten Fall ein mechanischer Rotor, günstiger ein elektronischer Multiplexer) abgefragt, sind die unterschiedlichen Signaleingänge unmittelbar ein Ma3 für die Position von Z-O. Bei gleichmäßiger Anordnung der Spulen L 1 bis L 21 (die Zahlen können beliebig gewählt werden) ist der Zusammenhang zwischen elektronischem Signal und Position einfach zu ermitteln, da die Gesamtlänge der angeordneten Spulen nur durch ihre Anzahl zu teilen ist und jede Spule so mit ihrem Signal genau eine Position markiert.

Eine mehr schematische Darstellung ist in F i g. 4 gegeben. Die einzelnen Spulen L 1, L 2 bis Ln werden von einem Sinusgenerator versorgt und sind über die einzelnen Widerstände R 1, R2 bis Rn geerdet Ein Analogmultiplexer schaltet die einzelnen Spulen nacheinander über einen Operationsverstärker (OP), eine Gleichrichtung (Diode) und eine Sample und Hold und einen Analogdigitalwandler an ein Mikroprozessorsystem.

In F i g. 3 ist ein Längen- und Positionssensor mit Magnetodioden aufgebaut. Um einen geringen Leistungsverbrauch der parallel anliegenden Magnetdioden zu erreichen, werden diese über einen DemuUiplexer und über Transistoren einzeln an Ground gelegt Gleichzeitig werden über einen Analogmultiplexer die Spannungsabfälle an den Magnetdioden über die WiderständeÄl bisRnabgefragt.

Die unterschiedlichen Sensorsignale (Usensor) sind in Fig.2 in Abhängigkeit von der Position der einzelnen Sensoren n\ bis π 21 dargestellt. Wie ersichtlich, ergeben sich unterschiedliche Kurvenläufe für die Positionen des Positionsindikators. Dort, wo die Sensorspannung ihr Minimum hat in den Punkten Pi, P2 ist jeweils die Position für den Positionsindikator gegeben. Wie ersichtlich, ist nicht die quantitative Charakteristik der Punkte Pi, P2 (Höhe des Spannungssignales) für die Position des Positionsindikators charakteristisch, sondern der phänomenologische Teil f.'ines Minimums dieser Kurve. Die Elektronik E1 kann dieses Phänomen leicht auswerten und die Stellung des Positionsindikators direkt in Längeneinheiten angeben..

2ö Als Vorteile uc5 Systems SiHu aiiZUiui.rcn, udu Zuleitungen zum bewegten Teil und damit auch eine Abnutzung von Kontakten, Beanspruchung von Leitungsverbindungen und Zuführungen durch Bewegung, entfallen. Das deiche gilt für Schwierigkeiten hinsichtlich Kontaktverschmutzungen, die hier keine Rolle mehr spielen.

Die Erfindung ermöglicht eine genau vorgegebene geometrische Anordnung der Sensorelem^nte nach Einheit, z. B. Länge und Abstand, auch nach Form, z. B. eine Kurvenanordnung der Sensorelemente, wodurch die Angabe einer Position in absoluten Einheiten durchführbar ist. Es ist also die Stellung des Positionsindikators auf einer Kreisstrecke (Türstellung, Bremspedalstellung, Rückenlehne, Winkelanzeige und dergl. mehr) darbietbar.

Schließlich sei als ganz wesentliches Vorteilsargument die Verwendung der Multiplexung hervorzuheben, die es u. a. ermöglicht, auch in Ruheposition des Positionsindikators sowie bei Einschalten der Elektronik (olfP.e 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 Posilionsindikator 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 NuII-pujikt-E^:vhung erforderlich. Es genügt, wenn dem System (z. B. durch Knopfdruck) mitgeteilt wird, daß die Position P2 der Nullpjnkt sein soll. Die Elektronik kann diesen Wert abspeichern und alle Abweichungen von diesem Wert — sowohl nach Plus wie nach Minus — mit richtigen Vorzeichen als Positionsabweichung angeben. Der Nullpunkt ist also beliebig wählbar. Die Genauigkeit des Systems ist im wesentlichen bestimmt durch die

6C mögliche Anzahl von einzelnen Spulen auf einer Längeneinheit. Werden geeignete Herstellungsverfahren für die Sensoren gewählt, wie sie heute in der Halbleitertechnik üblich sind, kann die Genauigkeit der Positionsbestimmung sehr hoch sein. Die Länge der Auslenkungsmessung ist in weiten Bereichen frei wählbar und hängt im wesentlichen nur von der Abführung der Anzahl der Sensoranschlüsse ah.

Ein weiterer, bereits angedeuteter Verteil ist, daß

beim Einschalten des Systems sofort, ohne daß eine Bewegung des Positionsindikators stattfinden muß, die Stellung des Positionsindikators gegeben ist. Dies ist besonders vorteilhaft beim Anfahren von Ventilen, bei denen während des Einschaltvorganges häufig nicht bekannt ist, weiche 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. Über die Elektronik wird die Länge gemessen, und dem bewegten System wird durch einen Stellmotor, eine Phasenanschnittsteuerung (let/lich geregelte Leistungszufuhr) mitgeteilt, welche Position einzuhalten ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur berührungslosen Positionsmessung, bei der an einem bewegbaren, der Positionsbe-Stimmung unterworfenen Teil ein in einem elektromagnetischen Wechselfeld einen Verbraucher darstellendes oder Feldlinien aussendendes Element als Positionsindikator vorgesehen ist, dem ein Träger mit einer Anzahl von auf den Positionsindikatcr ansprechenden Sensoren zugeordnet ist, von denen jeder an Spannung legbar ist und bei der eine Abfrage- und Atiswerteeinrichtung vorgesehen ist, mit der die Einzelsensoren zur Feststellung ihrer von der Position des bewegbaren, den Positionsindikator tragenden Teils abhängigen Ausgangssignals verbindbar sind, so daß die bei Positionsänderung des Positionsindikators erzeugten bzw. geänderten Spannungssignale eine information enthalten, die ausgewertet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (L 0— Ln) mit definiertem Abstand auf dem Träger angeordnet sind und mit ihrer Position für die Auswertung zur Verfügung stehen und daß die Abfrage- und Auswerteinrichtung mit jedem der Sensoren zwecks Feststellung seines von der Position und seiner geometrischen und physikalischen Ausgestaltung des ortsveränderlichen oder ruhenden Positionsindikaiors abhängigen Ausgangssignals verbunden ist, wobei ein elektronischer Multiplexer vorgesehen ist, an den die einzelnen Signalgeber zwecks getrennter u oerleitung ihrer Ausgangssignale an die Auiwerteinriehtung anschließbar sind und

daß die elektronische Auswerteinrichtung unabhängig von der Höhe der jeweiligen Signale der Sensoren den charakteristischen Punkt des Minimums oder Maximums oder einen anderen charakteristischen Punkt der Signale als Position für die Stellung des Positionsindikators nimmt und somit auch Positionsbestimmungen zwischen den einzelnen Sensoren auslöst.

2. Einrichtung nach Anspruch 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.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsindikator aus einem Material relativer Permeabilität μτ, ζ. B. einem Ferriten, besteht.

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

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente in genormten Längeneinheiten geradlinig oder kurvenförmig angeordnet sind und die Positionsbestimmung ohne Zusatzmaßnahmen eine geeichte Längenbcstiinmung oder Winkclbcslimmung isi.

t>. Einrichtung nach Anspruch I. dadurch gekenn- b5 zeichnet, daß der unbewegliche und bewegliche Teil miteinander vertauscht sind.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen Positionsmessung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Einrichtung, mit der eine lineare Bewegung in elektrische Größen umgesetzt werden kann, ist beispielsweise aus der DE-AS 12 17 085 bekannt. Zur Positionsbestimmung, oder hesser gesagt zur KaliLi-ierung einer Einrichtung zur Positionsbestimmung dient die in der DE-OS 31 41 392 beschriebene Anordnung, bei der die den jeweiligen Verschiebungen zugeordneten Daten abgespeichert werden und somit nach der Kalibrierung eine Positionsbestimmung des sich linear bewegenden Teiles möglich ist

Nachteilig bei den bekannten Einrichtungen zur Positionsbestimmung ist aber, daß nach dem Einschalten des Gerätes nicht sofort ein exakter Positionswert zur Verfugung steht, sondern erst eine mehr oder weniger aufwendige Neueinstellung vorgenommen werden muß.

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 Differentialtransformatoren arbeiten berührungslos, haben aber den Nav-'ateil, daß das Ausgangssignal mit seiner absoluten Größe, in die naturgemäß alle Umwelteinflüsse — wie Temperatur, Änderung der elektrischen Parameter, Abstand des Ferrites von den Spulen — eingehen, auch Auswirkungen auf die Genauigkeit der Längenmessung haben. Insbesondere ist bei den Differentialtransformatoren ein genauer elektronischer Nullabgleich erforderlich, der die Nullstellung des eingeführten Ferriten zwischen den Spulen angibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur berührungslosen Positionsmessung auf elektrisch/elektronischer bzw. magnetisch/elektronischer Grundlage zu schaffen, die geeignet ist, mechacV.h unbeeinflußte, elektronisch auswertbare Positionsmessungen eines bewegten oder ruhenden Teiles des Positionsindikators, insbesondere auch Längenmessungen, durchzuführen, wobei es das besondere Ziel ist, unabhängig von Umwelteinflüssen und Änderungen elektrischer Parameter eine eindeutige Zuordnung zwischen elektronischem Signal und Position (Länge) zuzulassen, 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 sein soll.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Vorzugsweise Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung besteht in ihren Grundzügen darin, daß an einem bewegbaren oder ruhenden der Positionsbestimmung unterworfenem 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 Gleich- oder Wechselspannung legbar ist, und eine Abfrage- und Auswerfeinrichtung vorgesehen ist. mit der jeder der Einzelsensoren zwecks Feststellung seines von der Position des ortsveränderlichen oder ruhenden Positionsindikators abhängigen Ausgangssignals verbindbar ist.