DE4211614A1 - Meßeinrichtung zur Bestimmung eines Drehwinkels - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer aus der nachveröffentlichten DE-OS 41 22 477.9 oder der DE-OS 40 01 544.0 bekannten Meßeinrichtung besteht ein Spulenkörper aus zwei im Quer­ schnitt ungefähr halbmondförmigen Kernen, die in axialer Richtung zueinander versetzt sind. Ferner sind die Kerne in radialer Richtung um 180 Grad zueinander versetzt, so daß die beiden ebenen Flächen der Kerne einander zugewandt sind. Auf diese Kerne ist in Umfangs­ richtung je eine Spule gewickelt, die in Wirkverbindung mit einem Meßteil aus elektrisch leitendem und/oder ferromagnetischem Material besteht. Durch die Wicklung der Spule über den gesamten Umfang der Kerne entsteht ein Bereich, der dem Meßteil zugewandt ist, und ein auf der Unterseite der Meßkerne sich befindender Spulenbereich.

Dieser auf der Unterseite angeordnete Spulenbereich ist von der Meß­ werterfassung weitgehend ausgeschlossen bzw. vermindert er sogar den ausnützbaren Anteil der Induktivitätsänderung. Dadurch wird die Meß­ empfindlichkeit der Meßeinrichtung verringert. Ferner steht für die eigentliche Meßsignalerzeugung nur der der Spule zugewandte Bereich zur Verfügung. Auch weisen die auf den einzelnen Kernen angeordneten Spulen noch eine relativ große Temperaturdrift auf.

Ferner ist aus der DE-PS 38 15 074 eine Meßeinrichtung bekannt, bei der auf der Innenseite der Hülse mehrere Spulen angeordnet sind, die mit einem in der Hülse beweglichen Meßteil in Wirkverbindung stehen. Auf der Innenseite dieser Hülse sind Drahtspulen kaum wickelbar. Der Meßbereich sollte bei einer Drosselklappengeber-Anwendung < 100 Grad sein. Dies ist mit einer Anordnung aus 4 Spulen nicht ereichbar.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß nahezu die gesamte Spulenlange als nützbarer Bereich zur Änderung der Indukti­ vität der Meßspule beiträgt. Dadurch erhält man eine hohe Meßemp­ findlichkeit. Ferner ist die Meßspule spiegelbildlich zur Mittelebe­ ne angeordnet, wodurch sich ein sehr gleichmäßiger Temperaturgang der beiden Hälften der Meßspule und somit eine sehr gute Temperatur­ kompensation des erzeugten Meßsignals ergibt. Ferner wird eine Meß­ signalerhöhung erreicht, da eine große, wirksame Spulenfläche vor­ liegt, was bedeutet, daß die gesamte Spulenfläche dem Meßteil zuge­ wandt ist. Ferner ergeben sich nahezu keine Meßsignalverfälschungen durch axiale Verschiebungen des Meßteils gegenüber den Meßspulen. Diese Meßfehler sind bei herkömmlichen Meßeinrichtungen durch den an der Welle angebrachten Träger des Meßteils hervorgerufen. Der da­ durch bedingte Meßfehler wird bei der erfindungsgemäßen Meßein­ richtung sehr gut unterdrückt, da die dem Spulenkörper zugewandte Seite des Trägers auf beide Spulen in gleicher Weise einwirkt. Auf­ grund der konstruktiven Ausgestaltung auf der Umfangsfläche des Spulenkörpers ist es möglich, eine Drahtspule auf die gebogene Außenseite des Spulenkörpers zu wickeln.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Meßeinrich­ tung möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Meßeinrichtung, Fi­ gur 2 eine Seitenansicht des Spulenkörpers, Fig. 3 eine Abwandlung einer Einzelheit und Fig. 4 einen Schnitt mit Blickrichtung in IV/IV in der Fig. 2.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist mit 10 ein Sensor bezeichnet, der einen aus vor­ zugsweise elektrisch nicht leitendem Material bestehenden Spulen­ körper 11 aufweist. Auf der Oberfläche 12 des Spulenkörpers 11 sind in Umfangsrichtung zwei diametral gegenüberliegende Spulen 13, 14 angeordnet, deren gesamter Spulenbereich sich auf der Oberfläche 12 des Spulenkörpers 11 befindet. In der Darstellung nach der Fig. 1 sind die in der einen Richtung verlaufenden Bereiche 13a bzw. 14a und die zurückführenden Bereiche 13b und 14b dargestellt. Die Dar­ stellung entspricht einem Schnitt durch den Spulenkörper nach der Fig. 2 in Richtung I/I. Um die Spulen 13, 14 auf der Oberfläche 12 des Spulenkörpers 11 anordnen zu können, sind in der Oberfläche 12 Nuten 15 ausgebildet. Die Nuten 15 weisen dabei in etwa eine rechteckige oder eine elliptische Form auf, wobei die beiden in Um­ fangsrichtung verlaufenden Bereiche in etwa einen Winkelbereich von 100 Grad aufweisen. In diesen Nuten 15 sind die Spulen 13, 14 ver­ legt. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Verwendung von Draht­ spulen. Ferner sind am Rand der Nuten mehrere Haken 16 ausgebildet, die mit einem Fortsatz 17 die Spulen 13, 14 etwas überdecken, so daß die Spulen 13, 14 nicht aus den Nuten 15 herausrutschen können oder eventuell von den Haken 16 abrutschen können.

Aus der Fig. 3 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels er­ sichtlich, bei der auf der Oberfläche 12 des Spulenkörpers 11 in radialer Richtung Haken 16a herausragen, um die die Spulen 14, 15 gewickelt sind. Ferner ist aus der Fig. 3 ersichtlich, wie die Drähte der Spulen 13, 14 an den Anschlußkontakten 18 angeordnet sind und um den einen Haken 16a herum geführt werden. Der Draht der Spule wird um den diametral gegenüberliegenden Haken 16 und unter dessen Fortsatz 17 hindurchgeführt und wieder zum anderen Haken zurückge­ führt, so daß sich zwei nebeneinander, nahezu parallel verlaufende Bereiche 20, 21 der Spulen 13, 14 ergeben. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die Drähte mehrmals hin und her zu führen, so daß mehrere nebeneinanderliegende Bereiche entstehen würden. Bei einer geradzahligen Anzahl dieser Bereiche, insbesondere bei zwei Be­ reichen erhält man eine sehr gute Temperaturkompensation der er­ zeugten Meßwerte. Die Spulen können ein oder mehrfach gewickelt sein. Das Ende des Drahtes der jeweiligen Spule ist wieder mit einem Kon­ takt 19 verbunden. Ist die Spule 13, 14 in einer Nut 15, wie in der Fig. 2 gezeigt, angeordnet, so dienen die Haken 16 und die Fort­ sätze 17 dazu, eine sichere Anordnung der Spule in der Nut zu ge­ währleisten. Bei einer ausreichend straffen Wicklung der Spulen 13, 14 könnte auch auf die Haken verzichtet werden. In allen beschrie­ benen Fällen sind die Bereiche 20, 21 der Spulen 13, 14 immer pa­ rallel zur Oberfläche des Spulenkörpers 11 gewickelt.

Zur Meßsignalgewinnung ist um den Spulenkörper 11 herum mit einem geringen Abstand ein aus elektrisch leitendem (ferromagnetisch und/oder nichtferromagnetischer Stoff) oder aus ferromagnetischem Stoff bestehendes Meßteil 22 angeordnet, das als Hülsensegment ausgebildet ist und etwa in Umfangsrichtung gesehen etwa den halben Umfang des Spulenkörpers überdeckt. Die eigentliche Größe dieses Meßteils ist dabei abhängig von dem zu messenden Winkelbereich und von der Länge der Meßspulen 13, 14. Die axiale Länge d des Meßteils 21 sollte vorzugsweise mindestens die Breite der beiden Spulen 13, 14 und des sich zwischen den Spulen ergebenden Bereichs des Spulen­ körpers 11 aufweisen. Das Meßteil 22 ist über einen scheibenförmigen oder auch einen stabförmigen Träger 23 mit einer Welle 24 verbunden, deren Drehbewegung bestimmt werden soll. Die Welle 24 kann aber auch mit einem nicht dargestellten Bauteil verbunden sein, so daß die Drehbewegung dieses Bauteils ermittelt wird. Ein besonders vorteil­ hafter Einsatz der Meßeinrichtung ergibt sich bei der Erfassung der Drosselklappenstellung bei Brennkraftmaschinen.

In Ausgangsstellung ist das Meßteil 22 so ausgerichtet, daß es beide Spulen 13, 14 mit gleich großen Umfangsflächen überdeckt. Dadurch kann in beide Drehrichtungen gemessen werden. Der Sensor 10 kann nach dem induktiven Prinzip und/oder nach dem Wirbelstromprinzip ar­ beiten, wobei in beiden Fällen die Spulen 13, 14 von einem Wechsel­ strom durchflossen werden. Zur Messung wird das Meßteil 22 um den Spulenkörper 11 herumgedreht bzw. um einen gewünschten Winkelbereich bewegt. Im folgenden sei das Wirbelstromprinzip erläutert. An den Spulen 13, 14 entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das auf der metallischen Oberfläche des Meßteils, das zum Beispiel aus Aluminium bestehen kann, Wirbelströme bewirkt. Je größer dabei die vom Magnet­ feld durchsetzte Fläche des Meßteils 22 ist, desto mehr Wirbelströme werden erzeugt. Ferner ist die Größe der erzeugten Wirbelströme ab­ hängig vom verwendeten Material des Meßteils 22, sowie vom Abstand der Spule 13 bzw. 14 zu der Oberfläche des Meßteils 22. Durch die auf dem Meßteil 22 erzeugten Wirbelströme wird der Spulen-Wechsel­ stromwiderstand verändert, was zur Meßsignalgewinnung ausgenützt wird. Da sich ebenfalls die Spuleninduktivität mitverringert, kann auch diese Induktivitätsänderung zur Meßsignalgewinnung ausgenutzt werden (Spuleninduktivitäts-Auswerteverfahren). Bei der Drehbewegung des Meßteils 22 wird die den Spulen 13 bzw. 14 zugeordnete Ober­ fläche des Meßteils 22 gegensinnig verändert. Dadurch wird die der Spule 13 zugeordnete Oberfläche des Meßteils 22 zum Beispiel um den­ selben Betrag erhöht, wie er gegenüber der anderen Spule 14 ver­ ringert wird. Die beiden Spulen 13, 14 sind - bei dem Spulenwechsel­ strom-Widerstand-Auswerteverfahren zum Beispiel in einer Wheat­ ston′schen Halbbrückenschaltung verschaltet. Dadurch kompensieren sich die in den Spulen 13, 14 gleichzeitig auftretenden und gegen­ sinnig wirkenden Meßfehler. Durch die beiden parallelen Bereiche 20, 21 der beiden Spulen 13, 14 werden bereits zum Beispiel durch Tem­ peraturschwankungen hervorgerufene Meßfehler in ein und derselben Spule kompensiert. Selbstverständlich ist es auch möglich, nicht nur zwei diametral gegenüberliegende Spulen auf der Oberfläche des Spulenkörpers anzuordnen, sondern auch mehrere Spulen.

Claims (3)

1. Meßeinrichtung (10) zur berührungsfreien Bestimmung eines Dreh­ winkels mit Hilfe von auf einem Spulenkörper (11) aufgebrachten Sen­ sorspulen (13, 14), deren Induktivitäts- und Wechselstromwider­ standswerte durch die relative Veränderung der Größe der den Sensor­ spulen (13, 14) zugeordneten Bereiche eines aus elektrisch leitendem und/oder ferromagnetischem Bereich bestehenden hülsenartigen Meß­ teils (22) variiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Spule (13, 14) eine Drahtspule ist, die auf der dem Meßteil (22) zugeordneten Seite des Spulenkörpers (11) angeordnet ist, daß die mindestens eine Spule (13, 14) mehrere in Umfangsrichtung und parallel zur Oberfläche des Spulenkörpers (11) verlaufende Bereiche (15, 16) aufweist und daß diese Bereiche (15, 16) an Haken (16) die Wickelrichtung der Spule(n) (13, 14) ändern.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oberfläche des Spulenkörpers (11) Nuten (15) ausgebildet sind, in denen die Spulen (13, 14) angeordnet sind.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Haken (16) Fortsätze (17) aufweisen, mit denen sie die Spulen (13, 14) übergreifen.