DE4430467A1 - Device for measuring position of moving object - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Mes sen der Lage eines beweglichen Gegenstands, insbesonde re für einen Lageregelkreis, mit wenigstens einer Meß brücke, die zwei parallel an einer Stromquelle an schließbare Brückenhälften aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Brückenzweigen und einen die Verbindung der Brückenzweige der einen Brückenhälfte mit der Ver bindung der Brückenzweige der anderen Brückenhälfte verbindenden Querzweig mit einem Meßwandler aufweist, wobei in den Brückenzweigen wenigstens der einen Brücken hälfte jeweils ein Sensor mit einem in Abhängigkeit von der Lage des Gegenstands veränderbaren Widerstand angeordnet ist und die Sensoren gleich sind.The invention relates to an arrangement for measuring the position of a movable object, in particular re for a position control loop, with at least one measuring bridge the two in parallel to a power source lockable bridge halves of two in a row switched bridge branches and one the connection the bridge branches of one half of the bridge with the ver binding of the bridge branches of the other half of the bridge connecting connecting branch with a transducer, with at least one of the bridges in the bridge branches half a sensor with one depending Resistance variable from the position of the object is arranged and the sensors are the same.
Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (US-PS 3 961 243) liegt in jedem Brückenzweig der einen Brückenhälf te jeweils eine Spule mit einem parallel geschalteten ohmschen Widerstand und in jedem Brückenzweig der ande ren Brückenhälfte jeweils ein einstellbarer ohmscher Widerstand. Das magnetische Feld der Spulen wird durch einen beiden Spulen gemeinsamen beweglichen Gegenstand in Form eines Magnetkerns beeinflußt, so daß sich ihre Induktivitäten und damit ihre induktiven Widerstände gegensinnig ändern, wenn der Magnetkern, der in der Mitte zwischen beiden Spulen angeordnet ist, relativ zu den Spulen in der einen oder anderen Richtung parallel zur Längsachse der Spulen verschoben wird. Als Strom quelle ist eine Wechselstromquelle vorgesehen. Die ohm schen Widerstände sind auf gleiche Werte eingestellt. Wenn der Magnetkern verschoben wird, ergibt sich eine Verstimmung der Brücke, die durch einen Meßwandler in Form eines Meßgeräts im Brückenquerzweig angezeigt wird. Durch Verstellung des einen oder anderen ein stellbaren Widerstands in der anderen Brückenhälfte wird die Brücke nach einer Verschiebung des Magnetkerns wieder abgeglichen, wobei dann die Widerstandsänderung des einstellbaren Widerstands als Maß für die Lage des Magnetkerns herangezogen wird. In Reihe mit jeder Spule liegt ferner ein temperaturabhängiger ohmscher Wider stand, dessen Temperaturabhängigkeit entgegengesetzt zu der des ohmschen Widerstands der jeweiligen Spule ge wählt ist. Während die parallel zu den Spulen liegenden ohmschen Widerstände zur Phasenkompensation dienen, sollen die temperaturabhängigen Widerstände eine Tem peraturänderung der ohmschen Widerstände der Spule aus gleichen. Die Ausbildung eines temperaturabhängigen Widerstands, dessen Temperaturabhängigkeit derjenigen des ohmschen Widerstands der Spule genau entgegenge setzt ist, ist jedoch sehr aufwendig und läßt sich nicht mit hoher Genauigkeit durchführen, abgesehen da von, daß eine Temperaturabhängigkeit der Induktivitäten der Spule auf diese Weise nicht kompensiert werden kann, insbesondere wenn der induktive Widerstand sehr viel größer als der ohmsche Widerstand der Spule ist.In a known arrangement of this type (US Pat. No. 3,961,243) there is one half of the bridge in each bridge branch te each with a coil connected in parallel ohmic resistance and in each bridge branch the other each half of the bridge is an adjustable ohmic Resistance. The magnetic field of the coils is through a movable object common to both coils influenced in the form of a magnetic core, so that their Inductors and thus their inductive resistances change in opposite directions if the magnetic core that is in the Is arranged between the two coils, relative to parallel to the coils in one direction or the other is shifted to the longitudinal axis of the coils. As a stream an AC power source is provided. The ohm resistances are set to the same values. If the magnetic core is shifted, one results Detuning the bridge caused by a transducer in Form of a measuring device displayed in the cross bridge branch becomes. By adjusting one or the other adjustable resistance in the other half of the bridge the bridge becomes after a shift of the magnetic core adjusted again, then the change in resistance of the adjustable resistance as a measure of the position of the Magnetic core is used. In line with each coil there is also a temperature-dependent ohmic resistance stood, whose temperature dependence to the contrary that of the ohmic resistance of the respective coil chooses. While the parallel to the coils ohmic resistors are used for phase compensation, the temperature-dependent resistors should have a tem temperature change of the ohmic resistances of the coil same. The formation of a temperature dependent Resistance, the temperature dependence of which the ohmic resistance of the coil exactly opposite is, however, is very complex and can be do not perform with high accuracy, except there of that a temperature dependence of the inductors the coil can not be compensated in this way can, especially if the inductive resistance is very is much greater than the coil's ohmic resistance.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anord nung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine genauere Lagemessung, unabhängig von Umwelteinflüssen, insbesondere von Änderungen der Temperatur, ermöglicht. The invention has for its object an arrangement of the type mentioned at the beginning, the one more accurate position measurement, regardless of environmental influences, especially changes in temperature.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens zwei Meßstellen des Gegenstands jeweils ein Sensorpaar zugeordnet ist, daß die Sensoren jedes Sen sorpaares in verschiedenen Brückenzweigen derselben Brückenhälfte, bei gleichen Widerständen in den Brücken zweigen der anderen Brückenhälfte, oder in verschie denen Brückenzweigen jeweils einer der beiden Brücken hälften, aber auf verschiedenen Seiten des Querzweigs angeordnet sind, und daß die Sensoren derart relativ zum Gegenstand angeordnet sind, daß eine Bewegung des Gegenstands relativ zu den Sensoren gegensinnige Ände rungen der Widerstände der Sensoren jedes Sensorpaares bewirkt.According to the invention, this object is achieved in that at least two measuring points of the object each Sensor pair is assigned that the sensors each Sen sorpaares in different bridge branches of the same Half of the bridge, with equal resistances in the bridges branches of the other half of the bridge, or in different one of the two bridges halves, but on different sides of the cross branch are arranged, and that the sensors are so relative are arranged to the object that a movement of the Opposite changes relative to the sensors resistances of the sensors of each sensor pair causes.
Bei dieser Ausbildung ergibt sich zwar eine Brückenver stimmung bei einer Bewegung des Gegenstands, dessen Lage gemessen werden soll, jedoch nicht bei einer Ände rung von Umwelteinflüssen, wie der Temperatur, dem Druck, elektromagnetischen Feldern, der Feuchtigkeit, einer Verschmutzung, des Lichtes, einer ionisierten Strahlung, einer Vibration und dergleichen, am Ort ei nes Sensorpaares, das einer Meßstelle zugeordnet ist.This training results in a bridge ver mood when the object moves Position should be measured, but not with a change of environmental influences, such as temperature, the Pressure, electromagnetic fields, moisture, pollution, light, ionized Radiation, vibration and the like, at the site nes sensor pair that is assigned to a measuring point.
Bei den Sensoren kann es sich um veränderbare ohmsche, kapazitive, induktive, magnetische, lichtempfindliche, Licht- oder Strömungs-Widerstände handeln. Gegebenen falls erzeugt die Stromquelle einen elektrischen Strom, einen Fluidstrom, einen Lichtstrom oder einen magneti schen Fluß.The sensors can be changeable ohmic, capacitive, inductive, magnetic, light sensitive, Trade light or flow resistances. Given if the power source produces an electric current, a fluid flow, a luminous flux or a magneti river.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Meßwandler um ei nen Differenzverstärker, der es ermöglicht, auch kleine Brückenverstimmungen zu verstärken und zur Anzeige zu bringen.The transducer is preferably egg NEN differential amplifier, which enables even small ones Bridge upsets to reinforce and display bring.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste hend anhand von Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbei spiele näher beschrieben. Es zeigen:The invention and its developments will be next Based on drawings of preferred embodiments games described in more detail. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schieberven tils mit einem Teil einer erfindungsgemäßen Meß anordnung, Fig. 1 a Schieberven TILs arrangement a schematic representation of a portion of a measurement according to the invention,
Fig. 2 ein Schaltbild einer elektrischen Meßbrücke, die bei der Anordnung nach Fig. 1 verwendet werden kann, Fig. 2 is a circuit diagram of an electrical measuring bridge that can be used in the arrangement of Fig. 1,
Fig. 3 ein Schaltbild einer anderen elektrischen Meß brücke, die bei der Anordnung nach Fig. 1 ver wendet werden kann, Fig. 3 is a bridge circuit diagram of another electrical measurement which apply in the arrangement of Fig. 1 can be ver,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines anderen Schieberventils mit einem Teil einer anderen erfindungsgemäßen Anordnung, die mehreren Meß stellen zugeordnet ist, und Fig. 4 is a schematic representation of another slide valve with part of another arrangement according to the invention, which is assigned to several measuring points, and
Fig. 5 ein Schaltbild einer elektrischen Meßbrücke für die Anordnung nach Fig. 4. Fig. 5 is a circuit diagram of an electrical measuring bridge for the arrangement of Fig. 4.
Bei dem Anwendungs- und Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Gegenstand, dessen Lage gemessen werden soll, der schematisch dargestellte Schieber 1 in einem sche matisch dargestellten Gehäuse 2 eines Schieberventils. Die Steuerkanten und Öffnungen des Schieberventils sind zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen.In the application and embodiment according to FIG. 1, the object whose position is to be measured is the schematically illustrated slide 1 in a housing 2 of a slide valve, shown schematically. The control edges and openings of the slide valve have been omitted to simplify the illustration.
Die Enden des Schiebers 1 sind jeweils von einem Ring 3 aus magnetisch leitendem Material umgeben, wobei die Ringe 3 mit der zylindrischen Oberfläche des Schiebers 1 bündig sind. The ends of the slide 1 are each surrounded by a ring 3 made of magnetically conductive material, the rings 3 being flush with the cylindrical surface of the slide 1 .
Die Enden des Schiebers 1 ragen mit den darin eingebet teten magnetisch leitenden Ringen 3 jeweils in ein Sen sorpaar S11, S12 bzw. S21, S22 in Form von elektrischen Spulen, die in der Innenseite des Gehäuses 2 an dessen Enden eingebettet und mit der Innenfläche der den Schieber 1 aufnehmenden Bohrung bündig sind. Die Senso ren S11, S12 und S21, S22 jedes Paares sind jeweils einer Meßstelle des Schiebers 1 zugeordnet und unmit telbar nebeneinander angeordnet.The ends of the slide 1 protrude with the embedded magnetically conductive rings 3 in each case in a Sen sorpaar S11, S12 or S21, S22 in the form of electrical coils, which are embedded in the inside of the housing 2 at its ends and with the inner surface of the the slide 1 receiving bore are flush. The sensors Ren S11, S12 and S21, S22 of each pair are each assigned to a measuring point of the slide 1 and immediately arranged side by side.
Die Sensoren S11, S12, S21 und S22 sind alle gleich ausgebildet, so daß sie in der relativ zu den Sensoren zentrierten Lage des Schiebers 1 nach Fig. 1 alle die gleiche Induktivität und mithin den gleichen induktiven Widerstand und den gleichen ohmschen Widerstand aufwei sen. Wenn der Schieber 1 dagegen nach rechts in Fig. 1 verschoben wird, nehmen die Induktivitäten der Spulen der Sensoren S11 und S21 um den gleichen Betrag ab, während die Induktivität der Spulen der Sensoren S12 und S22 um den gleichen Betrag wie die der Spulen der Sensoren S11 und S21 zunehmen. Bei Verschiebung des Schiebers 1 in entgegengesetzter Richtung, d. h. nach links in Fig. 1, ändern sich die Induktivitäten umge kehrt.The sensors S11, S12, S21 and S22 are all of the same design, so that they all have the same inductance and thus the same inductive resistance and the same ohmic resistance in the position of the slide 1 according to FIG. 1 centered relative to the sensors. On the other hand, when the slider 1 is shifted to the right in FIG. 1, the inductances of the coils of the sensors S11 and S21 decrease by the same amount, while the inductance of the coils of the sensors S12 and S22 decrease by the same amount as that of the coils of the sensors Increase S11 and S21. When the slide 1 is moved in the opposite direction, ie to the left in FIG. 1, the inductances change inversely.
Das Schaltbild nach Fig. 2 veranschaulicht eine mögli che Anordnung der Sensoren S11, S12, S21, S22 in einer Meßbrücke, die zwei parallel an einer Stromquelle 4 angeschlossene Brückenhälften 5 und 6 aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Brückenzweigen 7 und 8 bzw. 9 und 10 und einen die Verbindung 11 der Brückenzweige 7 und 8 der einen Brückenhälfte 5 mit der Verbindung 12 der Brückenzweige 9 und 10 der anderen Brückenhälfte ver bindenden Querzweig 13 mit einem Meßwandler 14 in Form eines Differenzverstärkers aufweist. Der Brückenzweig 7 wird durch einen festen oder fest eingestellten, weit gehend temperaturunabhängigen ohmschen Widerstand 15 und der Brückenzweig 8 durch einen weiteren ohmschen Widerstand 16 gebildet, der mit dem Widerstand 15 iden tisch ist.The circuit diagram of FIG. 2 illustrates a Moegli che arrangement of the sensors S11, S12, S21, S22 in a measuring bridge, the two connected in parallel to a current source 4 bridge halves 5 and 6 each comprise two series-connected bridge branches 7 and 8 or 9 and 10 and one of the connection 11 of the bridge branches 7 and 8 of a bridge half 5 with the connection 12 of the bridge branches 9 and 10 of the other bridge half ver binding cross branch 13 with a transducer 14 in the form of a differential amplifier. The bridge arm 7 is formed by a fixed or fixed, largely temperature-independent ohmic resistor 15 and the bridge arm 8 by a further ohmic resistor 16 , which is identical to the resistor 15 .
Im Brückenzweig 9 liegen die Sensoren S11 und S21, de ren Widerstände sich bei einer Verschiebung des Schie bers 1 in der einen Richtung gleichsinnig ändern, in Reihe, während die Sensoren S12, S22, deren Widerstände sich bei derselben Verschiebung des Schiebers 1 entge gengesetzt zu denen der Sensoren S11, S21 ändern, im anderen Brückenzweig 10 in Reihe liegen.In the bridge branch 9, the sensors are S11 and S21, de ren resistances during a displacement of the slide bers 1 in the other one direction in the same direction, in series, while the sensors S12, S22, whose resistances entge at the same displacement of the slide 1 gengesetzt to change those of the sensors S11, S21, lie in series in the other bridge branch 10 .
Aus dem Schaltbild nach Fig. 2 ist ersichtlich, daß das Potential der Verbindung 12 bei einer Änderung der Tem peratur an der Meßstelle, der das Sensorpaar S11, S12 zugeordnet ist, oder bei einer Änderung der Temperatur an der Meßstelle, der das Sensorpaar S21, S22 zugeord net ist, unverändert bleibt, weil die Widerstandsände rung der in den verschiedenen Brückenzweigen 9 und 10 liegenden Sensoren derselben Meßstelle gleich ist.From the diagram of Fig. 2 it can be seen that the potential of compound 12 with a change in the tem perature at the measuring point, which is associated with the sensor pair S11, S12, or when a change in temperature at the measurement point, the sensor pair S21, S22 is assigned, remains unchanged because the resistance change of the sensors in the different bridge branches 9 and 10 of the same measuring point is the same.
Wenn dagegen der Schieber 1 verschoben wird, ändert sich der Gesamtwiderstand in dem einen Brückenzweig 9 entgegengesetzt zu dem des anderen Brückenzweigs 10, so daß sich auch das Potential der Verbindung 12 ändert und mithin am Ausgang des durch den Differenzverstärker gebildeten Meßwandlers 14 ein Signal auftritt, das der Verschiebung des Schiebers 1 entspricht.If, on the other hand, the slide 1 is displaced, the total resistance in the one bridge arm 9 changes opposite to that of the other bridge arm 10 , so that the potential of the connection 12 also changes and, consequently, a signal occurs at the output of the measuring transducer 14 formed by the differential amplifier, that corresponds to the displacement of the slide 1 .
Die Stromquelle 4 hat eine weitgehend konstante Aus gangsspannung, die unabhängig von einer durch die Ände rung der Widerstände bewirkten Belastungsänderung ist.The current source 4 has a largely constant output voltage, which is independent of a load change caused by the change in the resistances.
Die andere mögliche Ausbildung einer Meßbrücke für die Anordnung nach Fig. 1 ist in Fig. 3 dargestellt. Sie unterscheidet sich von der nach Fig. 2 nur dadurch, daß die Widerstände 15 und 16 weggelassen und statt dessen die Sensoren so auf alle Brückenzweige 7 bis 10 ver teilt sind, daß die Sensoren S11 und S12 bzw. S21, S22 jedes Sensorpaares in verschiedenen Brückenzweigen 7 und 8 bzw. 9 und 10 jeweils einer der beiden Brücken hälften 5 und 6, aber auf verschiedenen Seiten des Querzweigs 13 angeordnet sind. Wenn sich bei dieser Anordnung die Temperatur an einer oder beiden Meßstel len, denen jeweils eines der beiden Sensorpaare zuge ordnet ist, ändert, bleibt die Potentialdifferenz zwi schen den Verbindungen 11 und 12 unverändert. Dagegen ändert sich die Potentialdifferenz zwischen den Verbin dungen 11 und 12, wenn sich der Schieber 1 verschiebt. Beispielsweise steigt das Potential der Verbindung 11 bei einer Verschiebung des Schiebers 1 nach rechts an, während das Potential der Verbindung 12 bei der glei chen Verschiebung abnimmt.The other possible configuration of a measuring bridge for the arrangement according to FIG. 1 is shown in FIG. 3. It differs from that of FIG. 2 only in that the resistors 15 and 16 are omitted and instead the sensors are so ver divided on all bridge branches 7 to 10 that the sensors S11 and S12 or S21, S22 of each pair of sensors in different Bridge branches 7 and 8 or 9 and 10 each one of the two bridge halves 5 and 6 , but are arranged on different sides of the transverse branch 13 . In this arrangement, if the temperature at one or both measuring points, which is assigned one of the two sensor pairs, changes, the potential difference between the connections 11 and 12 remains unchanged. In contrast, the potential difference between the connec tions 11 and 12 changes when the slide 1 shifts. For example, the potential of the connection 11 increases when the slide 1 is displaced to the right, while the potential of the connection 12 decreases during the same displacement.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind mehrere Sensorpaare S11, S12; S21, S22; S31, S32; S41, S42; S51, S52; . . . .; Sn1, Sn2 in einer Reihe in Längsrich tung des Schiebers 1 angeordnet, so daß jedes Sensor paar einer anderen Meßstelle des Schiebers 1 zugeordnet ist.In the exemplary embodiment according to FIG. 4, a plurality of sensor pairs S11, S12; S21, S22; S31, S32; S41, S42; S51, S52; . . . .; Sn1, Sn2 arranged in a row in the longitudinal direction of the slide 1 , so that each sensor pair is assigned to a different measuring point of the slide 1 .
Fig. 5 stellt ein Schaltbild einer Meßbrücke dar, in der die Sensorpaare nach Fig. 4 sinngemäß ebenso wie in Fig. 2 angeordnet sind. D.h. der eine Sensor jedes Paa res liegt im Brückenzweig 9 und der andere Sensor jedes Paares im Brückenzweig 10 derselben Brückenhälfte 6. Im übrigen entspricht das Schaltbild dem nach Fig. 2. Auch die Wirkungsweise der Meßbrücke nach Fig. 5 ist prin zipiell die gleiche wie die nach Fig. 2. FIG. 5 shows a circuit diagram of a measuring bridge in which the sensor pairs according to FIG. 4 are arranged in the same way as in FIG. 2. That is, one sensor of each pair resides in the bridge branch 9 and the other sensor of each pair in the bridge branch 10 of the same bridge half 6 . Otherwise, the circuit diagram corresponds to that according to FIG. 2. The mode of operation of the measuring bridge according to FIG. 5 is basically the same as that according to FIG. 2.
Weitere Abwandlungen können beispielsweise darin beste hen, daß anstelle der ohmschen Widerstände 15 und 16 kapazitive oder induktive Widerstände vorgesehen sind. Further modifications can, for example, best be that, instead of the ohmic resistors 15 and 16, capacitive or inductive resistors are provided.
Ferner können auch die Sensoren veränderbare ohmsche, kapazitive, induktive, magnetische, lichtempfindliche, Licht- oder Strömungs-Widerstände aufweisen, wobei dann die Widerstände 15 und 16 entsprechend ausgebildet sind, d. h. im Falle der Ausbildung der Sensoren als magnetische Widerstände wären die Widerstände 15 und 16 magnetische Widerstände und die Verbindungsleitungen magnetische Leiter, im Falle der Ausbildung der Senso ren als Lichtwiderstände wären die Widerstände 15 und 16 als Lichtwiderstände und die Leitungen als Lichtlei tungen auszubilden, dagegen wären im Falle der Ausbil dung der Sensoren als Strömungswiderstände die Wider stände 15 und 16 als Strömungs-Widerstände, z. B. Dros seln, und die Verbindungsleitungen als Rohrleitungen ausgebildet. Bei der Stromquelle 5 würde es sich dann um eine entsprechende magnetische, Licht- bzw. Strömungsquelle handeln. Entsprechendes gilt auch für den Meßwandler 14.Furthermore, the sensors can also have variable ohmic, capacitive, inductive, magnetic, light-sensitive, light or flow resistors, in which case the resistors 15 and 16 are designed accordingly, ie in the case of the sensors being designed as magnetic resistors, the resistors 15 and 16 magnetic resistors and the connecting lines magnetic conductors, in the case of the formation of the sensors as light resistors, the resistors 15 and 16 would be designed as light resistors and the lines as light lines, on the other hand, in the case of the training of the sensors as flow resistors, the resistors 15 and 16 as flow resistors, e.g. B. Dros seln, and the connecting lines formed as pipes. The current source 5 would then be a corresponding magnetic, light or flow source. The same applies to the transducer 14 .
Bei dem beweglichen Gegenstand, dessen Lage gemessen werden soll, kann es sich anstelle des Schiebers eines Schieberventils um irgendeinen anderen beliebigen Ge genstand handeln, wobei dann die Widerstände der Senso ren, wenn es sich nicht um Spulen handelt, entsprechend einstellbar auszubilden sind.For the moving object, the position of which is measured should be, instead of the slider one Slide valve around any other Ge act subject, then the resistances of the Senso if they are not coils, accordingly are adjustable.
Claims (3)
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