DE4033252A1

DE4033252A1 - Verfahren und vorrichtung zur wegmessung

Info

Publication number: DE4033252A1
Application number: DE19904033252
Authority: DE
Inventors: Bertold Prof Dr Rer N Deppisch; Werner Helget; Gunther Prof Dr Ing Krieg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-10-19
Filing date: 1990-10-19
Publication date: 1992-04-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Wegmessung, wobei die Position eines ferromagnetischen Körpers bestimmt wird, sowie eine Vorrichtung zur berührungs losen Positionsbestimmung mit mindestens einer Sendespule und mindestens zwei Sensorspulen.

Verfahren und Vorrichtung zur Positionsbestimmung sind in verschiedenartiger Weise bekannt geworden. Sie weisen unter schiedliche Nachteile auf. So verwendet ein Teil der be kannten Vorrichtungen optoelektronische Meßverfahren, die durch starke Verschmutzungsempfindlichkeit gekennzeichnet sind. Andere Vorrichtungen weisen als Wegmeßsysteme Poten tiometer auf. Diese Potentiometer haben den Nachteil, daß unter rauhen Einsatzbedingungen sich Staub und Feuchtigkeit auf der Widerstandsschicht ablagern.

Infolge des mechanischen Schleifkontaktes graben sich beim Betätigen des Potentiometers Staubteilchen in die Wider standsschicht ein. Letzteres führt zu Fehlfunktionen sowie zu einer irreversiblen Schädigung der Widerstandsschicht. In anderen Vorrichtungen, z. B. bei der Positionsbestimmung des Kolbens in einem Hydraulik-Zylinder, werden durch Strom impulse in einem Magnetfeld Ultraschallimpulse erzeugt deren Laufzeit entlang der Kolbenstange für die Wegmessung heran gezogen werden. Der Nachteil dieser Vorrichtung beruht in der Komplexität der Anordnung sowie den daraus resultierenden relativ hohen Produktionskosten. Weitere Vorrichtungen benutzen die direkte Erzeugung von Ultraschallimpulsen, die sich durch ein Übertragungsmedium, z. B. Öl ausbreiten. Ein wesentlicher Nachteil besteht darin, daß Luft als Übertragungsmedium wegen der geringen Dichte nicht geeignet ist und daß flüssige Medien im allgemeinen eine hohe Schall dämpfung besitzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu ent wickeln, daß berührungslose, staubunempfindliche Wegmessungen in Luft mit hoher Präzision möglich sind.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein Ver fahren der eingangs genannten Art gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Sendespule ein elektromagne tisches Feld erzeugt, das von einer Differenzschaltung aus zwei Sensorspulen empfangen wird, wobei die Signale der ersten Sensorspule von der Position eines ferromagnetischen Kerns bestimmt werden, wohingegen die Signale der zweiten Sensorspule vom ferromagnetischen Kern nicht beeinflußt werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung sieht zur Lösung der Aufgabe vor, daß die Sendespule aus einer zylindrischen Spule besteht, die im Wirkungsbereich des ferromagnetischen Kerns von der ersten Sensorspule umgeben ist und außerhalb dieses Wirkungsbereichs die zweite Sensorspule liegt.

Ein Vorteil dieses erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der zugehörigen erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß durch die Differenzsignalbildung von erster und zweiter Sensorspule Temperatur und Drifteffekte des Sensors elemi niert werden. Demgemäß sieht die Erfindung vor, daß die Signale der ersten und zweiten Sensorspule einem Differenz verstärker zugeführt werden. Die verstärkte Differenzspan nung wird einer weiteren Verstärkungsstufe zugeführt. Erfindungsgemäß werden anschließend die Gleichspannungsanteile über einen Hochpaß abgetrennt. In einer besonderen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, gelangt das Wechselspannungssignal über einen Zweiwegpräzisionsgleich richter, der gleichzeitig eine Tiefpaßfunktion beinhaltet. Am Ausgang der Schaltung steht ein Gleichspannungssignal zur Verfügung, dessen Höhe einen eindeutigen Zusammenhang mit der Eintauchtiefe des ferromagnetischen Kerns, d. h. zur jeweils zurückgelegten Wegstrecke, aufweist.

In einer besonders bevorzugten Ausführung wird mit nur zwei Spulen eine einfache Wegmessung erreicht. Dabei werden in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwei identische Spulen mit demselben Konstantstrom gespeist. Hierbei befindet sich der ferromagnetische Kern im Feldbereich der einen Spule, wohingegen die andere Spule unbeeinflußt durch den Kern bleibt. Die dabei resultierende Spannungsdifferenz zwischen den Spulen wird in entsprechender Weise mit Hilfe der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung zur Wegmessung ausgenutzt.

In äußerst bevorzugter Weise wird die erfindungsgemäße Ver stärkerschaltung als Lock-in Verstärker ausgeführt. Dadurch wird eine hohe Störsicherheit, insbesondere auch bei Betrieb der Anordnung im Bereich elektromagnetischer Störfelder, erzielt.

Insgesamt werden durch die Erfindung ein Verfahren sowie Vorrichtungen zur präzisen berührungslosen und störungs freien Wegmessung geschaffen, die im Gegensatz zum Stand der Technik bei einfacher und preisgünstiger Ausgestaltung eine hohe Standzeit, Verschleißfreiheit und Verschmutzungs unempfindlichkeit sicherstellen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtungen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung der erfindungsge mäßen Vorrichtung.

Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild der erfindungsgemäßen Elektronik.

Fig. 3 eine Wegmeßanordnung mit zwei Spulen.

Fig. 4 eine Wegmaßanordnung mit einer Spule.

Fig. 5 der Einsatz des Wegmeßsystems bei der Drehzahlregelung einer Bohrmaschine.

Fig. 6 der Einsatz des Wegmeßsystems bei der Positionsbestimmung von Hydraulikzylindern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist in der dargestellten Ausführungsform eine Sendespule (1, 8), auf, die von einer Wechselspannungsquelle (6, 7), beliebiger Frequenz betrieben wird. Im Einflußbereich einer Sensorspule (2, 10), befindet sich ein ferromagnetischer Kern (3, 11), der gemäß den Pfeilrichtungen (4, 12), als Wegaufnehmer hin- und her bewegt werden kann. Eine zweite Sensorspule (5, 9), dient als Referenzspule. Sie liegt außerhalb des Wirkungsbereichs des ferromagnetischen Kerns (3, 11), und ermöglicht die Eliminierung von Störeinflüssen, wie z. B. Spannungs versorgungsschwankungen, Temperatureinflüssen und extremen elektromagnetischen Störungen, indem mit Hilfe eines nachgeschalteten Verstärkers (12) die Differenz der Signale der Sensorspule (2, 10), und der Sensorspule (5, 9 gebildet werden. Die Differenzsignale werden einer weiteren Verstärkerstufe (13) zugeführt und gelangen über einen Hochpaß (14), der Gleichspannungsanteile abtrennt, auf einen Zweiwegpräzisionsgleichrichter (15), der gleichzeitig als Tiefpaß wirkt. Am Ausgang (16) der Schaltung steht ein Gleichspannungssignal zur Verfügung, dessen Höhe eine eindeutige Funktion der Eintauchtiefe des ferromagnetischen Kerns, d. h. der jeweiligen Wegposition, ist. Die Versorgung der Sendespule (1, 8), erfolgt über einen Kondensator (17), der als Vorwiderstand wirkt und welcher so bemessen ist, so daß ca. 90% der Netzwechselspannung (6, 7), an ihm abfallen. Auf Grund der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung von 90 Grad entsteht im Kondensator im wesentlichen Blind leistung, die keine Erwärmung des Kondensators bewirkt.

In der gemäß Fig. 3 gezeigten Sensoranordnung werden eine Wegmeßspule (22) und eine Referenzspule (21) über hoch ohmige Vorwiderstände (19, 20), von der Wechselspannungs quelle (18) mit Konstantströmen gespeist. In der Wegmeß spule (22) befindet sich der als Wegaufnehmer ausgebildete ferromagnetische Kern (23).

Bewegt sich der Kern (23) gemäß den Pfeilrichtungen (26, 27) entlang des zu messenden Weges, so wird der Spannungs abfall (24) an der Wegmeßspule (22) infolge Änderung des induktiven Widerstandes der Spule (22) geändert, und zwar derart, daß die Meßspannung (24) mit zunehmender Eintauch tiefe des ferromagnetischen Kerns in die Wegmeßspule (22) zunimmt. Demgegenüber bleibt die Referenzspannung (25) an der Referenzspule (21) bei Bewegung des ferromagnetischen Kerns (23) unverändert. Zur Kompensation von gleichzeitig auf Wegmeßspule (22) und Referenzspule (21) wirkenden Drifteffekten, die z. B. durch Temperaturschwankungen oder Schwankungen der Versorgungsspannung (18) entstehen können, werden die Meßspannung (24) und die Referenzspannung (25 von der in Fig. 2 dargestellten mikroelektronischen Schaltung unter Nutzung der Eingänge (28, 29) des Differenzver stärkers weiterverarbeitet.

In einer weiteren sehr preisgünstigen Ausgestaltung gemäß Fig. 4 ist die Referenzspule durch einen ohmschen Widerstand (31) ersetzt, welcher denselben Widerstandswert wie die zugeordnete Wegmeßspule (32) sowie denselben Temperatur koeffizienten aufweist. Das als Weggeber ausgebildete ferro magnetische Material (33) taucht in die Wegmeßspule ein und bildet ein von der Eintauchtiefe (35) abhängiges Spannungssignal (36) der Wegmeßspule (32), welches auf, den einen Eingang des Differenzverstärkers (34) gegeben wird. Das Spannungssignal (37) des Widerstandes (31 liegt an dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers (34).

Fig. 5 zeigt beispielhaft eine Anwendung des erfindungs gemäßen Wegmeßsensorsystems in einer Bohrmaschine (43) mit elektrischer Drehzahlregelung. Der über den Druckschalter (38) einstellbare Weg (39) bewegt das ferromagnetische Material (40) innerhalb des Spulensystems (41). Die Elektronikplatine (42) enthält eine Schaltung gemäß Fig. 2 und liefert ein Ausgangssignal, das die elektronische Drehzahlregelung der Bohrmaschine (43) ansteuert.

In Fig. 6 ist die Anwendung des neuen erfindungsgemäßen Wegstreckensensorsystems zur Positionsbestimmung des Kolbens in einem Hydraulikzylinder (51) dargestellt.

Dabei befindet sich das Wegspulensystem (44) innerhalb einer Bohrung (45), die sowohl den Kolben (46) als auch die Kolbenstange (47) durchsetzt. Die Sendespule (48) und die Referenzspule (49) befinden sich auf dem ferromagnetischen Stab (50) aufgewickelt.

Schiebt sich der ferromagnetische Stab (50) mit der Sendespule (48) und der Referenzspule (49) in die Kolbenstange (47), so wird die magnetische Kopplung in der Wegmeßspule (44) verstärkt und es entsteht eine kleinere wegabhängige Differenzspannung zwischen der Weg meßspule (44) und der Referenzspule (49), die gemäß Fig. 2 elektrisch weiter verstärkt wird.

Da bei Hydraulikanwendungen mit großen externen Störpegeln zu rechnen ist, wird die Signalverarbeitung gemäß Fig. 2 vorzugsweise unter Einsatz der Lock-in-Technik durchgeführt.

Claims

1. Verfahren zur berührungslosen Messung der Wegposition, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Sensorelement im Einflußbereich einer Meßspule befindet und daß aus der Spannung an der Meßspule die Position des Sensorelements bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement aus ferromagnetischem Material besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundspannung in der Meßspule und in einer Referenzspule erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspule außerhalb des Einflußbereichs des Sensorelements liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundspannungen in der Meßspule und in der Referenzspule durch eine Sendespule induziert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundspannungen in der Meßspule und in der Referenzspule durch mindestens eine Konstantstromquelle erzeugt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspule durch einen ohmschen Widerstand ersetzt wird, der denselben Widerstandswert und denselben Temperaturkoeffizienten wie die Referenzspule und die Wegmeßspule aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Spannungssignale der Meßspule und der Referenzspule gebildet wird, und daß die Differenz verstärkt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Gleichspannungsanteile im Differenzsignal durch einen Hochpaß abgetrennt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkte Differenzsignal einer Zweiwegpräzisions gleichrichtung unterzogen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das gleichgerichtete Ausgangssignal für wegabhängige Steuerungen herangezogen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung durch ein Lock-in-System erfolgt.

13. Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Wegposition, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensorelement (3, 11, 23, 33, 40, 50) im Einflußbereich einer Meßspule (2, 10, 22, 32, 44) sich befindet und daß aus der Spannung an der Meßspule (2, 10, 22, 32, 44) die Position des Sensorelements (3, 11, 23, 33, 40, 50) bestimmt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (3, 11, 23, 33, 40, 50) aus ferromagnetischem Material besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Grundspannungen (24, 25, 28, 29, 36) in der Meßspule (2, 10, 22, 32, 44) und in einer Referenzspule (5, 9, 21, 49) erzeugt werden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspule (5, 9, 21) vom Sensorelement (3, 11, 23, 33, 40) so weit entfernt ist, daß keine gegenseitige Beeinflussung auftritt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundspannungen (28, 29) in der Meßspule (2, 10, 44) und in der Referenzspule (5, 9, 49) durch eine Sendespule (1, 8, 48) induziert werden.

18. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule von einer Spannungsquelle (6, 7) angesteuert wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundspannungen (24, 25) in der Meßspule (22), und in der Referenzspule (21) durch mindestens eine Konstantstromquelle (18, 19, 20) erzeugt werden.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspule (5, 9, 21, 49) durch einen ohmschen Widerstand (31) variabler Größe ersetzt wird, und daß der ohmsche Widerstand (31) denselben Wert aufweist und denselben Temperaturkoeffizienten wie die Wegmeßspule (2, 10, 22, 32, 44).

21. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssignale (28, 29, 24, 25, 36, 37) von Meßspule (2, 10, 22, 32, 44) und Referenzspule (5, 9, 21, 49) über einen Differenzverstärker (12, 34) voneinander subtrahiert und die Differenz gleichzeitig verstärkt werden.

22. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Signale durch einen weiteren Ver stärker (13) nochmals verstärkt wird.

23. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsanteile im verstärkten Differenz signal durch einen Hochpaß (14) abgetrennt werden.

24. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselspannungs-Differenzsignal einer Zweiweg präzisionsgleichrichtung (15) unterzogen wird und das Gleichsignal auf den Eingang einer wegabhängigen Steuerung geleitet wird.

25. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Sensorelement (3, 11, 23, 33, 40) integraler Bestandteil eines Druckschalters (38), der außerdem das aus Sendespule (1, 8), Meßspule (2, 10, 22, 32) Referenzspule (5, 9, 21) bestehende Spulensystem (41) trägt und in miniaturisierter Bauweise außerdem die Signalverarbeitungselektronik (12, 13, 14, 15, 34, 42) enthält.

26. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Sensorelement (3, 11, 23, 33, 50) von einem Kolben (46) und einer Kolbenstange (47) eines Hydraulikzylinders (51) umgeben ist und daß das Spulen system bestehend aus Meßspule (2, 10, 22, 32) innerhalb der Bohrung (45), die sowohl den Kolben (46) als auch die Kolbenstange (47) durchsetzt sich befindet.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale (16) zur Wegsteuerung eines hydrau lischen Systems (51) benutzt werden.

28. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß den Werten der Ausgangsspannung (16) Wegstrecken werte (4, 12, 26, 35, 39) zugeordnet werden und daß die Wertepaare als Ausgangsspannung und Wegstrecke in ein EPROM abgelegt werden.