ITMI950252A1

ITMI950252A1 - DEVICE TO MEASURE A PATH OR AN CORNER

Info

Publication number: ITMI950252A1
Application number: IT95MI000252A
Authority: IT
Inventors: Klaus Dobler; Hansjoerg Hachtel
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 1994-02-28
Filing date: 1995-02-10
Publication date: 1996-08-10
Also published as: ES2107368B1; FR2716713A1; IT1275139B; ITMI950252A0; DE4406417A1; ES2107368A1

Abstract

Si propone un dispositivo atto a misurare un percorso oppure un angolo. Componenti principali del dispositivo proposto sono: una bobina; un elemento attenuatore eseguito in materiale elettricamente conduttivo e mobile relativamente alla bobina; e un dispositivo atto a determinare la induttività della bobina in base alla posizione dell'elemento attenuatore relativamente alla bobina. Almeno una bobina (1) ha approssimativamente la forma di un trapezio le cui basi sono perpendicolari alla direzione del moto relativo della bobina e dell'elemento attenuatore e la cui larghezza varia lungo tale direzione. Almeno un lato di base della bobina (1) corrisponde approssimativamente ad una posizione finale (0) del campo di misura (0, E). Il moto relativo della bobina (1) e dell'elemento attenuatore (2) ha luogo in maniera tale che la sovrapposizione dell'elemento attenuatore (2) nei confronti della bobina (1) diminuisca con il diminuire della deviazione in direzione dell'altra posizione finale (E) del campo di misura.(Figura 1).A device for measuring a path or an angle is proposed. Main components of the proposed device are: a coil; an attenuating element made of electrically conductive and movable material relative to the coil; and a device for determining the inductance of the coil based on the position of the attenuator element relative to the coil. At least one coil (1) has approximately the shape of a trapezoid whose bases are perpendicular to the direction of the relative motion of the coil and of the attenuating element and whose width varies along this direction. At least one base side of the coil (1) corresponds approximately to an end position (0) of the measuring range (0, E). The relative motion of the coil (1) and the attenuating element (2) takes place in such a way that the overlap of the attenuating element (2) with respect to the coil (1) decreases with decreasing deviation in the direction of the other position end (E) of the measuring range (Figure 1).

Description

D E SC R IZ IO NE DESCRIPTION

Stato dell ' arte State of the art

L'invenzione si riferisce ad un dispositivo di misura del tipo indicato nella rivendicazione principale. Una nota struttura di questo tipo (DE-P5 Z8 15 074) è composta da due coppie di bobine piatte di forma rettangolare disposte sulla parete interna di un portabobine di forma cilindrica, di fronte a cui è montato un elemento interno in materiale conduttivo elettrico (elemento conduttore di corrente) il quale è disposto con possibilità di rotazione all'interno del portabobine, L'elemento conduttore di corrente è formato in modo da coprire, sempre due volte, parte di ogni due bobine disposte affiancate. Se esso viene spostato relativamente al portabobine, viene ad essere modificato - per le bobine che sono affiancate l'una all’altra - il rapporto della parte di superficie della bobina che è coperta dall'elemento conduttore di corrente, e allora la superficie dell'elemento conduttore che è associata ad una prima bobina aumenta nella stessa misura in cui essa diminuisce nella seguente bobina. Corrispondentemente ''iene a variare il rapporto delle induttività delle bobine, rapporto che serve da grandezza fisica per la deviazione dell'elemento conduttore di corrente relativamente al portabobina. Per ottenere un risultato di misurazione il più possibile esente da errori, i segnali di misura delle bobine che sono in opposizione ''erigono addizionati, mentre quelli delle bobine disposte in successione vengono sottratti uno dall'altro. In tal modo, si possono efficacemente attenuare soprattuto influenze di errori di natura meccanica, per esempio mediante un gioco radiale dell'elemento conduttore di corrente. The invention relates to a measuring device of the type indicated in the main claim. A known structure of this type (DE-P5 Z8 15 074) is composed of two pairs of flat rectangular coils arranged on the internal wall of a cylindrical coil holder, in front of which an internal element in electrical conductive material is mounted ( current conducting element) which is arranged with the possibility of rotation inside the reel holder. The current conducting element is formed in such a way as to cover, always twice, part of each two coils arranged side by side. If it is moved relative to the coil holder, the ratio of the surface part of the coil that is covered by the current-conducting element is changed - for the coils that are side by side - and then the surface of the coil. conductor element which is associated with a first coil increases to the same extent as it decreases in the following coil. Correspondingly, the inductivity ratio of the coils varies, a ratio which serves as a physical quantity for the deviation of the current-conducting element relative to the coil holder. In order to obtain a measurement result that is as error-free as possible, the measurement signals of the coils which are in opposition are added together, while those of the coils arranged in succession are subtracted from each other. In this way, it is possible to effectively attenuate above all influences of mechanical errors, for example by means of a radial clearance of the current-conducting element.

Inoltre, l'esattezza dei risultati ottenuti con la misurazione è determinata dalla sistematica precisione lineare del sistema di misura che non è suscettibile di miglioramenti anche se si tiene conto dei risultati di misura di più bobine. Da.verifiche effettuate Φ risultato che i sistemi con bobine di rivelazione aventi forma rettangolare presentano in genere un errore di linearità. Pertanto, al fine di utilizzare un tale roto sistema per misurazioni di grande precisione, è necessario un dispositivo di compensazione, cosa che normalmente comporta un dispendio aggiuntivo inaccettabile. Il sistema, innanzi descritto è. Inoltre, adatto solo fino a quando esso venga utilizzato per compiti di misura puramente traslatori in quanto, con la duplice progettazione di bobine di rivelazione ed elemento conduttore, Furthermore, the accuracy of the results obtained with the measurement is determined by the systematic linear precision of the measurement system which is not susceptible to improvement even if the measurement results of several coils are taken into account. The tests carried out showed that systems with rectangular-shaped detection coils generally exhibit a linearity error. Therefore, in order to use such a rotary system for high precision measurements, a compensation device is required, which normally entails an unacceptable additional effort. The system described above is. Furthermore, only suitable as long as it is used for purely translational measuring tasks as, with the dual design of detection coils and conductor element,

si arriverebbe ad un sensore di ingombro relativamente grande, realizzato in modo dispendioso. we would arrive at a relatively large size sensor, made in an expensive way.

Un ulteriore sistema di misura convenzionale, del tipo indicato nella rivendi cazione principale (EP-PS 211 901 ), è costituito da due bobine piatte, di forma semicircolare, disposte in un piano su cui ruota un elemento metallico che si sovrappone in maniera esatta alla superficie di una bobina. Se l'elemento metallico viene spostato, la parte di superficie coperta di una bobina aumenta, corrispondentemente alla sua deviazione nella stessa misura in cui nell’altra diminuisce. Come grandezza di misura viene utilizzata l' induttività di bobina rilevata mediante determinazione della frequenza di risonanza della bobina che si instaura in un dato momento. Anche questo sistema è adatto a misure di alta precisione fintantoché gli errori di linearità sistematici dovuti al principio di misurazione non svolgono alcun ruolo. A further conventional measuring system, of the type indicated in the main claim (EP-PS 211 901), consists of two flat coils, of semicircular shape, arranged in a plane on which a metal element rotates which overlaps exactly the surface of a coil. If the metal element is moved, the part of the covered surface of one coil increases, corresponding to its deviation to the same extent that it decreases in the other. The coil inductivity measured by determining the resonant frequency of the coil that is established at a given moment is used as the measured quantity. This system is also suitable for high-precision measurements as long as systematic linearity errors due to the measuring principle play no role.

L 'invenz ione si propone di indicare un dispositivo per la misurazione di percorsi oppure di angoli i cui risultati presentino un'esattezza lineare di tipo perfezionato rispetto ai dispositivi convenzional i. The invention proposes to indicate a device for measuring paths or angles whose results have an improved linear accuracy with respect to conventional devices.

Lo scopo vigne ottenuto con un dispositivo di misura avente le caratteristiche qualificanti della rivendi cazione principale. Grazie alla vantaggiosa ccnf igurazione delle bobine di misura, la curva caratteristica di uri dispositivo di misura conforme all'invenzione presenta un'eccellente linearità. Per quanto riguarda la fabbricazione dello stesso e la sua attitudine all' impiego, esso presenta tutti i pregi dei dispositivi già noti; in particolare, esso può essere utilizzato sia come sensore edometrico che come sensore goniometrico. se viene utilizzato come sensore goniometrico, le bobine possono essere disposte sia di piatto, nel piano dell'angolo da misurare, sia in forma cilindrica lungo il settore circolare determinato da un angolo ria misurare. un esempio di reaiiesazione del dispositivo di misura proposto riall'invenzione viene illustrato in appresso in modo particolareggiato sulla scorta dei disegni . The vineyard purpose obtained with a measuring device having the qualifying characteristics of the main claim. Thanks to the advantageous configuration of the measuring coils, the characteristic curve of a measuring device according to the invention exhibits excellent linearity. As regards the manufacture of the same and its aptitude for use, it has all the advantages of the devices already known; in particular, it can be used both as an oedometric sensor and as a goniometric sensor. if used as a goniometric sensor, the coils can be arranged either flat, in the plane of the angle to be measured, or in a cylindrical shape along the circular sector determined by a measured angle. an example of implementation of the measuring device proposed for the invention is illustrated below in detail on the basis of the drawings.

Disegni Drawings

La figura 1 mostra in forma schematica un dispositivo di misura conforme allo stato dell'arte; la figura 2 è uno schema strutturale di un dispositivo di misura proposto dall'intenzione; nella figura 3 sono messe a confronto qualitativo le curve caratteristiche di un dispositive di misura noto e di uno conforme all'invenzione. Figure 1 shows in schematic form a measuring device conforming to the state of the art; figure 2 is a structural diagram of a measuring device proposed by the intention; Figure 3 qualitatively compares the characteristic curves of a known measuring device and one according to the invention.

Descrizione dell ’esempio di realizzazione Description of the example of realization

La figura 1 mostra la struttura di massima di un dispositivo di misura conforme allo stato dell'arte. Esso è costituito da due bobine rettangolari 1, 3 disposte in serie lungo una direzione di deviazione 5. da un attenuatore 2 eseguito in materiale metallico e mobile relativamente alle bobine 1 , 3, e da. un’unità di elaborazione 5 che serve a determinare la posizione dell'elemento attenuatore 2. L’elemento attenuatore 2 è opportunamente formato come staffa a U che cinge le bobine 1, 3 sui due lati, Le sue dimensioni sono studiate in modo da coprire nelle due posizioni terminali 0, E del campo di misura accennato con la scala graduata 4 - ogni volta una delle bobine 1.. 3 in maniera completa o almeno approssimativamente completa. Il dispositivo di misura 1 - F rappresentato nei disegni funziona secondo il principio di misurazione a induzione. se la staffa 2 viene mossa lungo la direzione 5 relativamente alle bobine 1, 3 mentre in queste vi è una corrente alternate, nella staffa 2 vengono indotte correnti parassite. Con ciò viene sottratta energia ai campi magnetici delle bobine 1. 3, per cui le induttività delle bobine 1. 3 subiscono una variazione. La misura della variazione delle induttività serve da grandezza fisica. Il valore dell'induttività. delle bobine dipende qui dalla grandezza di quella parte delle bobine 1, 3 che è appunto coperta dalla staffa 2, Figure 1 shows the general structure of a measuring device according to the state of the art. It consists of two rectangular coils 1, 3 arranged in series along a deviation direction 5. by an attenuator 2 made of metallic material and movable relative to the coils 1, 3, and by. a processing unit 5 which serves to determine the position of the attenuator element 2. The attenuator element 2 is suitably formed as a U-shaped bracket that surrounds the coils 1, 3 on both sides. Its dimensions are designed so as to cover in the two end positions 0, E of the measuring range indicated with the graduated scale 4 - each time one of the coils 1 .. 3 completely or at least approximately complete. The measuring device 1 - F shown in the drawings works according to the induction measuring principle. if the bracket 2 is moved along the direction 5 relative to the coils 1, 3 while there is an alternating current in these, eddy currents are induced in the bracket 2. With this energy is subtracted from the magnetic fields of the coils 1. 3, so that the inductivity of the coils 1. 3 undergo a variation. The measure of the variation of inductivities serves as a physical quantity. The value of inductivity. of the coils depends here on the size of that part of the coils 1, 3 which is covered by the bracket 2,

Per rilevare la posizione della staffa 2 si determina nell'unità di elaborazione 5, opportunamente in maniera convenzionale., l'induttività delle bobine 1, 3. In alternativa, il rilevamento della posizione può, però, essere effettuato ad.es. anche mediante determinazione della resistenza delle bobine in corrente alternata. In order to detect the position of the bracket 2, the inductivity of the coils 1, 3 is determined in the processing unit 5, suitably in a conventional manner. also by determining the resistance of the AC coils.

Da accurate ricerche effettuate si è rilevato che i risultati di misurazione ottenuti con sistemi conformi alla figura i, soprattutto con impiego di bobine 1, 3 a nucleo largo, danno luogo ad errori lineari in parte rilevanti. Ciò è illustrato graficamente nella figura 3 con la curva 7; nella curva è rappresentata l'induttività L [in Microhenry] di una bobina rettangolare 1, come da figura 1, in funzione della deviazione locale 5 [in metri]. Con E è indicata la deviazione massima; si e 52 delimitano la parte, approssimativamente lineare, della curva caratteristica della bobina che è utilizzabile per la misurazione. Per illustrare la differenza, è accennato, mediante la linea discontinua 5, un andamento lineare ideale della curva caratteristica. La differenza dipende sostanzialmente dalla larghezza a del nucleo di una bobina 1, 3; come scostamento tipico dalla linea caratteristica ideale sono stati rilevati valori del 2% circa, Careful research has shown that the measurement results obtained with systems conforming to figure i, especially with the use of large core coils 1, 3, give rise to partly significant linear errors. This is illustrated graphically in Figure 3 with curve 7; the curve shows the inductivity L [in Microhenry] of a rectangular coil 1, as shown in Figure 1, as a function of the local deviation 5 [in meters]. E indicates the maximum deviation; si and 52 delimit the approximately linear part of the coil characteristic curve which can be used for the measurement. To illustrate the difference, an ideal linear trend of the characteristic curve is indicated by means of the discontinuous line 5. The difference substantially depends on the width a of the core of a coil 1, 3; as a typical deviation from the ideal characteristic line, values of about 2% were detected,

Un perfezionamento sostanzale dell'esattezza lineare della curva caratteristi ca è dato da un dispositivo di misura strutturato come da figura 2 con bobine 1, 3 di forma trapezoidale. Le due bobine 1, 3 sono disposte in modo che la larghezza b dei loro nuclei venga a variare lungo la direzione di deviazione S. Esse si toccano l'un l'altra con le basi lunghe del trapezio, mentre le basi corte formano approssimativamente i limiti 0, E del campo di misura, corrispondentemente alla geometria delle bobine. con una deviazione della staffa 2 - ad ss, dalla posizione finale 0 in direzione della posizione finale E - la larghezza b del nucleo della bobina 1 aumenta con il diminuire della sovrapposizione della staffa, mentre la larghezza b' del nucleo della bobina 3 diminuisce con l'aumentare della sovrapposizione. condizioni analogamente inverse valgono per la deviazione dalla posizione finale E in direzione della posizione finale 0. A substantial improvement in the linear accuracy of the characteristic curve is given by a measuring device structured as shown in Figure 2 with trapezoidal-shaped coils 1, 3. The two coils 1, 3 are arranged so that the width b of their cores varies along the direction of deviation S. They touch each other with the long bases of the trapezoid, while the short bases form approximately i limits 0, E of the measuring range, corresponding to the geometry of the coils. with a deviation of the bracket 2 - ad ss, from the final position 0 in the direction of the final position E - the width b of the core of the coil 1 increases as the overlap of the bracket decreases, while the width b 'of the core of the coil 3 decreases with as the overlap increases. similarly inverse conditions apply to the deviation from the end position E in the direction of the end position 0.

Une struttura secondo la figura 2 presenta cosi una relazione non lineare fra la posizione della staffa 2 e la superficie di bobina cbe è coperta. Tuttavia, con una giusta geometria a trapezio, essa produce un'ottima, curva caratteristica lineare delle bobine . A structure according to Figure 2 thus exhibits a non-linear relationship between the position of the bracket 2 and the coil surface which is covered. However, with the right trapezoid geometry, it produces a very good, linear characteristic curve of the coils.

L'angolo alfa, caratteristico per la forma trapezoidale delle bobine 1, 3, viene opportunamente determinato in via sperimentale a seconda della desiderata lunghezza del campo di misura lineare si, s2 e in base alla massima larghezza del nucleo delle bobine. Se, con una rigorosa forma trapezoidale delle bobine 1, 3. non fosse ottenibile una desiderata esattezza lineare, è possibile, per un'ulteriore linearizzazione della curva caratteristica, collegare le facce frontali del trapezio delle bobine, anziché con linee diritte, con curve lievemente concave o convesse. The alpha angle, characteristic for the trapezoidal shape of the coils 1, 3, is suitably determined experimentally according to the desired length of the linear measuring range si, s2 and on the basis of the maximum width of the core of the coils. If, with a rigorous trapezoidal shape of the coils 1, 3. it is not possible to obtain a desired linear accuracy, it is possible, for a further linearization of the characteristic curve, to connect the front faces of the trapezoid of the coils, instead of with straight lines, with slightly curves concave or convex.

La configurazione delle bobine proposta dall'invenzione dà, di per sé, una curva caratterist ica lineare per ciascuna bobina 1, 3, Per misurazioni in cui sia possibile ad es. far a meno di una compensazione di deriva con due bobine, si può perciò impiegare anche una struttura di misurazione con una sola bobina. Essa verrebbe derivata, ad esempio, dalla struttura rappresentata nella figura 2 con la omissione della bobina 3. The configuration of the coils proposed by the invention gives, by itself, a linear characteristic curve for each coil 1, 3. avoiding drift compensation with two coils, a measuring structure with only one coil can therefore also be used. It would be derived, for example, from the structure shown in Figure 2 with the omission of coil 3.

Claims

R I V E N D IC A T IO N I 1. Device for measuring a path or an angle, with at least one coil, an attenuator element made of electrically conductive material and movable relative to the coil, and with an apparatus suitable for determining the inductivity of the coil based on the position of the coil. 'attenuator element relative to the coil, characterized in that at least one coil (1) has the approximate shape of a trapezoid whose bases are arranged perpendicular to the direction of the relative motion of the coil and of the attenuator element and whose width varies along this direction . 2- Device according to. claim 1, characterized in that the base side of the coil. (1) corresponds approximately to a final position CO) of the measuring range (0, E) and the relative motion of the coil (1) and of the attenuator element (2) takes place in such a way that the overlap of the element (2) the coil (i) decreases, as the deviation in the direction of the other end position (E) of the measuring range increases. 3, Device according to claim 1, characterized in that the width (b) of the coil (1) increases as the overlap of the attenuator element (2) decreases, 4, Device according to claim 1, characterized in that a second coil (3) is associated with a first coil (1) approximately trapezoidal, also having the shape of a trapezoid whose width (b ') decreases with the increase by the overlap of the attenuator element (2).