DE4205048C2

DE4205048C2 - Anordnung zur Messung der Position eines linear beweglichen Körpers

Info

Publication number: DE4205048C2
Application number: DE19924205048
Authority: DE
Inventors: Bernt Dipl Phys Dr Paul
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-02-19
Filing date: 1992-02-19
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2012-02-20
Also published as: DE4205048A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Position eines linear beweglichen Körpers, insbesondere zur Messung der Position des Kolbens in einem Hydraulikzylinder.

Zur Messung der Kolbenposition in Hydraulikzylindern wurden bekanntlich versuchsweise verschiedene physikalische Effekte herangezogen, beispielsweise eine Laufzeitmessung mit Ultra schall, Kräfte durch mechanische Zugfedern, Widerstandsände rung in Potentiometern durch Umsetzung der Linearbewegung in eine Drehbewegung. Optische Methoden wurden diskutiert, erga ben aber aufgrund der Lichtabsorption im Medium bisher noch keine Lösungsmöglichkeiten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Position eines beweglichen Körpers digital-absolut zu messen. Insbeson dere für Hydraulikanlagen soll eine Bewegung unmittelbar im Hydraulikzylinder ohne den störanfälligen Umweg über außerhalb des Zylinders angebrachte Fühler möglich sein. Diese Messung der Kolbenposition soll außer in Hydraulikzylindern, die der Bewegung mechanischer Konstruktionen unter starken Kräften dienen, beispielsweise auch für hydraulische Dämpfungsglieder möglich sein.

Zur Messung der Kolbenposition kann ein radialmagnetischer Ringmagnet vorgesehen sein, dessen Magnetfluß sich aufteilt auf einen Hauptmagnetkreis, dessen magnetischer Widerstand mit der Bewegung des Körpers veränderbar ist, und einen Referenz magnetkreis, der einen Magnetfelddetektor enthält. Der Kolben, dessen Position gemessen werden soll, befindet sich im Streu feld des Hauptmagnetkreises. Mit der Bewegung des Kolbens ändert sich die Größe eines Luftspalts zwischen dem Kolben und dem Magneten und damit der magnetische Widerstand im Hauptmagnetkreis. Die Änderung der Feldaufteilung kann vom Magnetfelddetektor erfaßt werden und dient als Maß für die Kolbenposition (DE 40 27 200 A1).

Es sind auch digitale Meßsysteme zur Erfassung der Posi tion eines beweglichen Körpers bekannt, bei denen die In formation über die absolute Position einem Maßstab entnom men wird. Zu diesem Zweck muß die Meßsensoranordnung, bei spielsweise ein Glasmaßstab, mit einem optischen Abtast system Informationen über mehrere digitale Stellen lie fern. Dies geschieht beispielsweise über parallel ange ordnete Bahnen, die binär unterteilt sind und dadurch die erforderlichen Informationen enthalten. Diese digital-ab solut anzeigenden Positionsmeßsysteme benutzen jedoch außerhalb des Zylinders angebrachte Maßstäbe (Ebertshäu ser: "Fluidtechnik von A bis Z", Seiten 62 und 64, Ver einigte Fachverlage (1989), Krausskopf/Ingenieur-Digest).

Aus der DE 38 34 200 A1 ist ein kapazitiver Wegaufnehmer mit mehreren, jeweils aus einem Lineal, Nonius und Kop pelkondensator unterschiedlicher Teilung bestehenden Systemen zu entnehmen. Die in den einzelnen Systemen erzeugten Meßspannungen sind gegeneinander phasenverscho ben. Die Phasenverschiebung wird ausgewertet und dient zur Absolutwertbestimmung der Position des Wegaufnehmers im Meßbereich. Der Wegaufnehmer kann insbesondere eine ro tationssymmetrische, koaxiale Anordnung seiner Systeme aufweisen.

Ferner geht aus der DE 31 28 656 A1 ein inkrementales Lage- Meßsystem zur Erfassung der Relativbewegung zwischen einem langgestreckten, beispielsweise rohrförmigen Kon struktionselement mit minderen magnetischen Eigenschaften und einer Abtasteinrichtung für auf dem Konstruktionsele ment vorgesehene magnetische Markierungen hervor. Das Konstruktionselement soll derart magnetisiert werden, daß sich in Längsrichtung Permanentmagnetabschnitte mit groß flächigen Magnetpolen ergeben, denen entsprechend ange paßte Magnetflußjoche gegenüberstehen, in deren Luftspalt ein magnetisch-elektrischer Sensor angeordnet ist.

Darüber hinaus offenbart die DE 27 48 320 B2 einen Cray-Code-Laser mit einer Code-Platte. Diese Platte trägt aus Bits bestehende Cray-Code-Muster in Form von in einer axialen Richtung nebeneinander angeordneten Codierungslei tern.

Die erwähnte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Damit er hält man eine stör- und alterungsfreie Anordnung zur digi tal-absoluten Messung der Position beweglicher Körper. Der zylindrische Meßkopf ist mit einem Referenzkörper starr verbunden und von dem rohrförmigen Maßstab umgeben, der in einer Bohrung des beweglichen Körpers angeordnet ist. Meß kopf, Maßstab und beweglicher Körper sind koaxial zuein ander angeordnet und relativ zueinander axial beweglich. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die Bohrung für den Maßstab im Referenzkörper, z. B. der Zylinderwand, an zubringen und den Meßkopf am beweglichen Körper zu befesti gen.

Der Maßstab besteht aus einem auf der Innenseite mit Me tallflächen in Form eines digitalen Codierungsmusters be schichte ten Rohr, welches in einer parallel zur Bewegungsrichtung angeordneten Bohrung in dem beweglichen Körper, beispielsweise im Kolben einer Hydraulik, angebracht ist. Das Codierungsmu ster besteht aus mehreren, in axialer Richtung nebeneinander angeordneten Codierungsleitern, deren die Codierung darstel lende Metallflächen durch einen metallischen Streifen in Ge stalt eines Leiterholmes elektrisch miteinander verbunden sind. Diese Leiterholme sind an einem axialen Ende des Maß stabes ringförmig metallisch miteinander verbunden und elek trisch an den beweglichen Körper angeschlossen. Die Position dieses beweglichen Körpers relativ zu einem festen Referenz körper, beispielsweise zum Zylinder einer Hydraulik, wird durch azimutal auf dem Meßkopf hintereinander angeordnete Metallflächen registriert, wobei jeweils eine dieser Metall flächen einem Codierungsleiter des rohrförmigen Maßstabes zu geordnet ist. Der mit dem Referenzkörper verbundene Meßkopf ragt mit seinen Metallflächen in das codierte Rohr hinein, wobei die in geringem radialen Abstand von den Codierungslei tern positionierten Metallflächen des Meßkopfes jeweils als die eine Elektrode, die Metallflächen der zugeordneten Codie rungsleiter als die andere Elektrode eines Kondensators ge schaltet sind. Die Kapazität dieses Kondensators ändert sich in Abhängigkeit von der Position des beweglichen Körpers ent sprechend dem Codierungsmuster der zugehörigen Leiter.

Durch eine Anordnung mit n Codierungsleitern und n zugeordne ten Metallflächen im Meßkopf erhält man n positionsabhängige Kapazitätswerte. Durch Codierung der n Leitern, vorzugsweise in einem Cray-Code, erhalten die n Kapazitätswerte die Funk tion von n Gray-Stellen der codierten Maßzahl für die gesuchte Position. Bei einem Gray-Code ändert sich beim Übergang von einer Zahl zur nächst höheren Zahl stets genau eine Dualstel le, wodurch bekanntlich undefinierte Anzeigen in den Übergangszonen vermieden werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Messung der Position eines linear beweglichen Körpers gemäß der Erfindung schematisch teilweise als Schnitt veranschaulicht ist.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt dieser Ausführungsform und in

Fig. 3 ist ein Beispiel eines Codie rungsmusters für den Maßstab dargestellt.

In der Ausführungsform einer Anordnung zur Messung der Posi tion eines beweglichen Körpers gemäß Fig. 1, beispielsweise zur Messung der Position eines in der Figur nicht dargestell ten Kolbens in einem Hydraulikzylinder, ist ein im wesentli chen zylinderförmig gestalteter Meßkopf 2 von einem rohrför migen Maßstab 4 konzentrisch umgeben, der in einer Bohrung eines beweglichen Körpers 6 angeordnet ist, dessen Position gemessen werden soll. Meßkopf 2, Maßstab 4 und beweglicher Körper 6 sind koaxial zueinander angeordnet und relativ zu einander axial beweglich. Die Rotationsachse ist in der Figur mit 8 bezeichnet. Der rohrförmige Maßstab 4 ist auf seiner inneren Oberfläche mit einem digitalen Codierungsmuster 10 versehen, das aus in axialer Richtung nebeneinander angeord neten Codierungsleitern aus Metallflächen besteht, die elek trisch leitend miteinander verbunden sind und die an einem Ende durch einen in der Figur nicht dargestellten metallischen Leiter kurzgeschlossen sind. Von den Metallflächen sind zur Vereinfachung in der Figur nur ihre Schnitte in der Zeichen ebene am inneren Umfang des Maßstabs 4 dargestellt. Der Meß kopf 2 ist an seinem Außenmantel ebenfalls mit einem Muster von Metallflächen 12 versehen, die in axialer Richtung am Umfang nebeneinander angeordnet sind und von denen jeweils eine einer der Codierungsleitern des Maßstabs 4 zugeordnet ist.

Für eine Ausführungsform der Meßanordnung zur Messung in einer Flüssigkeit kann der Meßkopf 2 gemäß Fig. 2 mit Durchtritts öffnungen für die Flüssigkeit versehen sein, die zweckmäßig etwa gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnet sind, wie es im Schnitt der Fig. 2 angedeutet ist. Diese Durchtrittsöffnungen 16 erscheinen auch noch als Ausfräsungen in der zylindrischen Oberfläche des Führungskörpers 14, wie es in Fig. 1 angedeu tet ist. Die Metallflächen 12 des Meßkopfes 2 können bei spielsweise am Umfang des Meßkopfes etwa gleichmäßig verteilt sein. Dagegen sind in Fig. 2 vom Codierungsmuster 10 des Maßstabs 4 teilweise auch nur Verbindungsstege der Metall flächen geschnitten, die jeweils einen der Leiterholme der Codierungsleitern darstellen und von denen in der Figur drei sichtbar und mit 18, 19 und 20 bezeichnet sind.

In der Abwicklung des Codierungsmusters 10 mit in der Figur nicht näher bezeichneten, den Gray-Code darstellenden Metall flächen in der Form von Codierungsleitern 22 bis 29 sind die jeweils zu einer der Leitern gehörenden Metallflächen elek trisch miteinander verbunden durch Leiterholme, von denen drei mit 18, 19 und 20 bezeichnet sind. Diese Leiterholme sind am linken Ende durch einen Kurzschlußring 30 miteinander verbun den, der in der praktischen Ausführungsform im allgemeinen auf Massepotential gelegt wird.

In einer nachgeschalteten, in der Zeichnung nicht dargestell ten Elektronik werden durch jeden der n Kapazitätswerte C_i (i = 1, 2, . . . n) jeweils eine Zeitkonstante t_i ∼ R·C_i be stimmt und durch einen nachgeordneten, vorzugsweise mit einer Taktfrequenz f_D getriggerten Diskriminator mit einem Schwell wert t_S beispielsweise allen Werten t_i t_S beispielsweise eine digitale "0" zugeordnet, und allen Werten t_i < t_S eine digitale "1". Damit steht nach jedem Abfragetakt, d. h. im zeitlichen Abstand Δt_D = 1/f_D die Information über die aktuel le Position des verschieblichen Körpers in Form einer n-stel ligen Zahl im Gray-Code zur Verfügung.

Die Meßanordnung ist insbesondere in Hydrauliksystemen mit Hydraulikflüssigkeiten auf der Basis von Wasser geeignet, da die hohe Dielektrizitätskonstante ε = 81 von Wasser hinrei chend große Kapazitätswerte C_i auch bei kleiner Fläche der einzelnen Kondensatoren ergibt.

Der Maßstab 4 läßt sich in einfacher Weise durch eine in ein isolierendes Trägerrohr eingeklebte Folie herstellen, wobei diese Folie das Muster der Codierungsleitern 22 bis 29 in Form einer metallischen Beschichtung trägt, die in derselben Tech nik hergestellt werden kann, wie die flexiblen Leiterfolien für die Montage und elektrische Verbindung von elektronischen Bauteilen in Kleingeräten, wie z. B. Kleinbildkameras.

In einer Abwandlung der Meßanordnung können durch die posi tionsabhängigen Kapazitäten in Verbindung mit konstanten In duktivitäten L auch Frequenzen f_i ∼ (L · C_i)^-1/2 bestimmt wer den, aus denen dann die digitale Information abgeleitet wird.

Kapazitätswerte zur Darstellung der Ziffern "0" und "1": Für eine vorgegebene Baugröße und vorgegebenes Auflösungsvermögen werden die wesentlichen Auslegungsparameter der kapazitiv di gitalen Positions-Meßanordnung abgeschätzt.

Baugröße: Durchmesser D_B der Bohrung zur Aufnahme des Maßsta bes mit dem auf seiner Innenseite eingeklebten Codierungsmu sters 10, beispielsweise D_B = 14 mm, Meßbereich beispielsweise M = 256 mm, Auflösungsvermögen beispielsweise ΔM_A = 1 mm.

Bei einer Wandstärke d_T des Trägerrohres für den Maßstab 4 von 0,5 mm, einer Dicke der die Codierungsleitern 22 bis 29 ent haltenden Folie, einschließlich der aufgebrachten Metallisie rung von 0,15 mm sowie weiteren 0,15 mm für die Dicke von Kitt und einer die Metallisierung überdeckenden Isolierschicht er hält man einen freien Innendurchmesser des rohrförmigen Maß stabes von beispielsweise 12,4 mm.

Meßkopf 2: Außendurchmesser der die inneren Kondensatorflächen darstellenden metallisierten Metallflächen 12 beispielsweise D_M = 12,2 mm. Für den vorgegebenen Meßbereich M und das vorge gebene Auflösungsvermögen ΔM_A werden acht Digitalstellen und dementsprechend acht codierte Leitern 22 bis 29 und ebenso viele azimutal hintereinander angeordnete Metallflächen 12 am Umfang des Meßkopfes 2 benötigt. Bei einem gegenseitigen Ab stand von a = 0,71 mm erhält dann jede Kondensatoroberfläche auf dem Meßkopf 2 die Breite b = D_M · π/8-a = 4,0 mm und die Länge l = ΔM_A = 1 mm. Wenn einer Kondensatoroberfläche eine Metallfläche einer der zugehörigen Codierungsleitern 22 bis 29 gegenübersteht, beträgt die zugehörige Kapazität C_i = C_"1" = ε₁ · ε₀ · 1 · b/d₁ = 81 · 8,85 · 10^-3 pF/mm · 4/0,1 · mm = 28,69 pF. Dabei ist vorausgesetzt, daß der Abstand d₁ = 0,1 mm der beiden Kondensatoroberflächen im wesentlichen durch Was ser, mit ε₁ = 81, ausgefüllt ist.

Steht einer Kondensatoroberfläche ein nicht metallisierter Bereich der zugehörigen Codierungsleiter gegenüber, dann wirkt im wesentlichen der der Kondensatoroberfläche gegenüberliegen de Teil der Wand der Bohrung als zweite Kondensatorfläche. Beide Flächen haben den Abstand d₀ = d₁ + d_T und die zugehöri ge Kapazität ist nun

C_i = C_"0" = ε₀·1·b/(d₁/ε₁+d_T/ε_T).

Mit d_T = 0,5 mm und einer angenommenen relativen Dielektrizi tätskonstante des Trägerrohres von ε_T = 2,3 (Polystyrol) er hält man eine Kapazität C_"0" = 0,16 pF. Dieser Kapazitätswert ist um den Faktor 177 kleiner als die Kapazität C_"1". Ihm sind jedoch die unvermeidlichen Leitungskapazitäten als parallel geschaltete Kapazität hinzuzurechnen. Solange ihre Summe deut lich kleiner als C_"1" ist, ist eine sichere Unterscheidung beider "Zustände" der Kapazitäten C_i möglich.

Erzeugung der Spannungspegel für die Ziffern "0" und "1":

Zur Darstellung der beiden den Kapazitätswerten C_i zugeordne ten Ziffern "0" und "1" müssen in einer dem Meßkopf nachge schalteten Elektronik Spannungspegel vorzugsweise in TTL-Norm, aus den C_i-Werten abgeleitet werden. Dies kann in allgemein bekannter Weise mit Hilfe von Zeitkonstanten R·C_i oder Reso nanzfrequenzen (L·C_i)^-1/2 erfolgen, wobei geeignete Festwerte für den Widerstand R bzw. die Induktivität L verwendet werden.

Dimensionierungsbeispiel zur Erzeugung der beiden Spannungs pegel für "0" und "1" mit Hilfe von R·C_i - Zeitkonstanten:

Mit einer bekannten Schaltung läßt sich ein triggerbarer Puls mit der Einschaltdauer t_i = R·C_i·1n3 = 1,1·R·C_i erzeugen, wobei der Widerstand bei Verwendung eines bekannten Bausteins maximal 20 MΩ betragen darf. Wählt man beispielsweise R = 5 MΩ, so erhält man für C_i = C_"1" = 28 pF die Zeitkonstan te t_i = 153,8 µs. Die Zeitkonstante für die Ziffer "0" hängt von der Leitungskapazität ab. Für eine resultierende Kapazität aus C_"0" und der Leitungskapazität von beispielsweise 6,0 pF ist t_i = 33,0 µs. Die parasitäre Leitungskapazität für benachbarte Kondensatorbeläge kann zu maximal 4,5 pF abge schätzt werden. Die resultierende Kapazität sollte somit auf Werte unterhalb 6 pF begrenzbar sein. In einer einfachen und zugleich schnell anzeigenden Schaltung kann ein bekannter nachtriggerbarer Zeitschalter zur Erzeugung der Impulse mit der codierungsabhängigen Einschaltdauer t_i verwendet und bei spielsweise durch einen vorgeschalteten Multivibrator mit der Wiederholfrequenz f_D periodisch im Abstand von beispielsweise t₀ = 100 µs getriggert werden. Fragt man die Ausgangsspannung U_i des nachtriggerbaren Zeitschalters jedoch am Ende einer Triggerperiode t₀ unmittelbar vor dem neuen Triggerimpuls ab, so hat man in der abgefragten Ausgangsspannung direkt die ge suchte TTL-Spannung zur Darstellung der dem C_i-Wert zugeordne ten Codierungsziffer.

Zur Auswertung der dem Dimensionierungsbeispiel zugrundegeleg ten achtstelligen Codierung benötigt man acht nachtriggerbare Zeitschalter und einen gemeinsamen Multivibrator zur Erzeugung der Wiederholfrequenz f_D, was durch vier Doppel-Zeitgeber und einen Einfach-Zeitgeber mit geringem Aufwand herstellbar ist.

Bei dieser Auswerteschaltung entspricht die periodisch mit der Frequenz f_D wiederholte Abfrage von U_i, jeweils um eine Zeit spanne t_St₀ nach dem vorhergehenden Triggerimpuls, einer Diskriminatorfunktion: Für alle t_it_S ist der nachtrigger bare Zeitschalter bei der Abfrage bereits wieder im Ruhezu stand, U_i 0,4 V, und die Ausgangsspannung wird der Ziffer "0" zugeordnet. Für alle t_i < t_S ist der nachtriggerbare Zeit schalter bei der Abfrage noch im eingeschalteten Zustand, z. B. U_i < 2,4 V, und die Ausgangsspannung wird der Ziffer "1" zuge ordnet.

Wählt man beispielsweise t_S = 98 µs, dann werden im gewählten Dimensionierungsbeispiel alle C_i-Werte < 17,8 pF als digitale "0" interpretiert, alle C_i-Werte oberhalb dieses Schwellwertes als "1".

Die Kapazitätswerte C_i unterliegen zusätzlich zur beabsich tigten codierungsabhängigen Änderung auch unerwünschten Schwankungen infolge von radialen Abstandsänderungen und von Änderungen der Dielektrizitätskonstante, insbesondere im flüs sigen Medium, speziell der nicht aus reinem Wasser bestehenden Hydraulikflüssigkeit. Durch geeignete Wahl von t_S läßt sich der Schwellwert für die Interpretation der C_i-Werte auf einen optimalen Toleranzbereich für die C_i-Werte einstellen.

Vorzugsweise werden die getaktet ausgelesenen Ausgangsspannun gen U_i jeweils einem "Sample and Hold-Glied" zugeführt, an dessen Ausgang die aktuellen U_i-Werte ständig zur weiteren Verarbeitung, z. B. Umcodierung in andere Codes, zur Verfügung stehen.

Claims

Anordnung zur Messung der Position eines linear beweglichen Körpers, insbesondere zur Messung der Position des Kolbens in einem Hydraulikzylinder mit folgenden Merkmalen:
- a) Ein zylindrischer Meßkopf (2) ist von einem rohrförmigen Maßstab (4) umgeben, der in einer Bohrung des beweglichen Körpers (6) angeordnet ist;
- b) der Meßkopf (2), der Maßstab (4) und der bewegliche Körper (6) sind koaxial zueinander angeordnet und relativ zuein ander axial beweglich;
- c) der rohrförmige Maßstab (4) ist auf seiner inneren Ober fläche mit einem digitalen Codierungsmuster (10) von Me tallflächen versehen;
- d) das Codierungsmuster (10) besteht aus in axialer Richtung nebeneinander angeordneten Codierungsleitern (22 bis 29), deren Metallflächen elektrisch leitend miteinander verbun den sind und die an einem Ende kurzgeschlossen sind;
- e) der Meßkopf (2) ist an seinem Außenmantel mit einem Muster von Metallflächen (12) versehen, die in axialer Richtung am Umfang nebeneinander angeordnet sind und von denen je weils eine dieser Metallflächen (12) einer der Codierungs leitern (22 bis 29) des Maßstabes (4) zugeordnet ist;
- f) die Metallflächen (12) des Meßkopfes (2) bilden eine Elek trode und die Metallflächen des Codierungsmusters (10) bilden die andere Elektrode eines Kondensators, dessen Ka pazität sich in Abhängigkeit von der Position des bewegli chen Körpers (6) entsprechend dem Codierungsmuster der zu gehörigen Codierungsleitern (22 bis 29) ändert.