B e s c h r e i b u n g
Positionsbestimmungsvorrichtung für den Anker eines Schützes
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Positionsbestimmungsvorrichtung für den Anker eines Schützes, wobei der Anker eine Markierung hat und zwischen einer EIN- und einer AUS-Stellung verfahrbar ist, und die Positionsbestimmungsvorrichtung mehrere Sensoren hat, mittels derer die Markierung des Ankers detektierbar und die Position des Ankers bestimmbar ist.
Stand der Technik
Die DE 44 09 010 AI beschreibt eine Schaltvorrichtung, bei der mittels eines Sensors die Position des beweglichen Organs, insbesondere des Ankers eines Schützes, während des Schaltvor¬ gangs bestimmbar ist. Der Sensor ist dabei ein Potentiometer, bestehend aus einem längsgestreckten Fühlerelement und einem am Anker befestigten beweglichen Läufer, welcher sich auf dem Fühlerelement abstützt. Mittels der ermittelten Position des beweglichen Organs des Schützes wird während des Schaltvor¬ gangs der Spulenstrom über die gesamte Verschiebungsstrecke gesteuert, womit zum einen die Schließkraft des Schützes erhöht und zum anderen die elektrische und mechanische Halt- barkeit der Vorrichtung verbessert wird. Zur Steuerung des Spulenstroms ist der Spule ein Stromsensor in Reihe geschal¬ tet. Der Spulenstrom wird dabei in Abhängigkeit der Differenz zwischen Soll-Spulenstrom und gemessenem Ist-Spulenstrom mittels einer Impulsmodulations-Schaltung gesteuert, wobei der
Spulenstrom vom Niveau der Impulsgrößenmodulation abhängt. Der Einsatz eines Potentiometers als Positionssensor hat jedoch mehrere Nachteile. So ist zum einen der Widerstand des Potentiometers temperaturabhängig, wodurch die tatsächliche Position des Ankers bei Temperaturschwankungen von der Schalt¬ vorrichtung nicht ohne zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand ermittelt werden kann. Zum anderen wird der von der Spule bewegte Anker durch die erforderliche Andruckkraft der Schleifkontakte des Potentiometers gebremst. Durch das relativ schnelle Verfahren des Ankers wird zusätzlich die Widerstands¬ fläche des Potentiometers stark beansprucht, wodurch es zu Widerstandsveränderungen bedingt durch Ablösungen bzw. Abrieb des Widerstandsmaterials kommt. Eine Ansteuerung des Schützes ist in diesem Fall nicht mehr möglich.
Aus der DE 38 22 342 C2 ist eine Schaltmagnetansteuerung bekannt, wobei die Schaltmagnetansteuerung eine Reihe von in Bewegungsrichtung des Ankers angeordneten Lichtschranken hat. Die Lichtschranken bestehen dabei aus Fotodioden und einer Reihe von lichtemittierenden Dioden, welche zu beiden Seiten des Ankers angeordnet sind. Der Anker hat eine Bohrung, die den Lichtpfad jeweils nur einer Lichtschranke beim Verfahren des Ankers einzeln bzw. nacheinander öffnet. Durch Auswertung der Lichtschrankensignale kann mittels einer Auswertelektronik die Position des Ankers bestimmt werden. Die Geschwindigkeit des Ankers kann zusätzlich dadurch bestimmt werden, wenn die Zeit gemessen wird, die die Markierung benötigt um zwei neben¬ einander liegende Lichtschranken zu durchfahren. Durch Verar¬ beitung der Positionssignale und der hierdurch ermittelbaren Geschwindigkeit des Ankers ist es möglich, ein ungleichmäßiges Schalten des Schützes über alle drei Phasen des zu schließen¬ den und zu öffnenden Stromkreises hinweg zu erkennen. Nach¬ teilig bei dieser Schaltmagnetansteuerung ist, daß mittels der n Lichtschranken lediglich n Positionssignale erzeugbar sind, wodurch die Auflösung der Positionsbestimmung im Verhältnis zur Zahl der verwendeten Lichtschranken schlecht ist. Nur wenn
die Bohrung eine Lichtschranke öffnet, kann die Position des Ankers eindeutig bestimmt werden. Wird der Anker ein Stück verfahren, so sind alle Lichtschranken unterbrochen. Die Schaltmagnetansteuerung hat in diesem Moment keine Information darüber, ob der Anker in Richtung der EIN- oder AUS-Stellung verfahren wurde. Eine genaue Bestimmung der Position ist somit unmöglich.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache Positionsbestimmungsvorrichtung bereitzustellen, die es er¬ laubt, den Bewegungsablauf des Ankers beim Ein- bzw. Ausschal- ten eines Schützes zu überwachen, wobei gleichzeitig die Position des Ankers bei gleicher Zahl der verwendeten Posi¬ tionssensoren genauer bestimmbar ist als beim Stand der Tech¬ nik.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Markierung von mindestens zwei Sensoren gleichzeitig detek¬ tierbar ist. Hierdurch wir vorteilhaft erreicht, daß mittels der Sensoren eine Codierung der Position des Ankers vornehmbar ist. Die Abmessungen der Markierung sind dabei im Verhältnis zu den Sensorpositionen so zu wählen, daß z.B. nur in der AUS- Stellung kein Sensor die Markierung detektiert. Wird der Anker in Richtung der EIN-Stellung bewegt, so detektiert ein erster Sensor die Markierung nach einer bestimmten Hubstrecke. Wird der Anker weiter in die EIN-Stellung bewegt, so detektiert zusätzlich zum ersten Sensor ein zweiter Sensor die Markie¬ rung. Wäre der Anker jedoch sofort nach Detektierung der Markierung durch den ersten Sensor zurück in die AUS-Stellung bewegt worden, so würde erneut kein Sensor die Markierung detektieren. Der Umstand, daß nach dem Schließen einer gerade geöffnet gewesenen Lichtschranke der Schaltmagnetansteuerung
der DE 38 22 342 C2 die Position des Ankers nicht mehr genau bestimmbar ist, wird somit vorteilhaft vermieden.
Da die Sensoren lediglich die Signale aktiviert oder deakti- viert bzw. "I" oder "0" an die Auswertelektronik senden, kann die Auswertelektronik der Positionsbestimmungsvorrichtung vorteilhaft digital arbeiten, wodurch die Auswertung der Signale mit einem Mikroprozessor erfolgen kann. Codiert man die digitalen Signale der n Sensoren, so ergeben sich maximal 2n Kombinationsmöglichkeiten. Wählt man die Form der Markierung entsprechend, so kann mittels der n Sensoren die Hubstrecke des Ankers in maximal 2n bestimmbare Positionen unterteilt werden. Hierzu muß die Markierung so bemessen sein, daß in einer Position des Ankers die Markierung von allen Sensoren gleichzeitig detektierbar ist. Um alle 2n Kombinationen zu ermöglichen, muß die Markierung in mindestens zwei Markierun¬ gen unterteilt werden, um z.B. die Codierung "1011" bei 4 Sensoren zu ermöglichen.
Sind die Sensoren nebeneinander parallel zur Bewegungsrichtung des Ankers angeordnet, so bestimmen die geometrischen Abmes¬ sungen der Sensoren den Abstand zwischen den Sensoren.
Dies bedeutet, daß die Sensoren nicht beliebig dicht nebenein- ander angeordnet werden können. Die Genauigkeit der Positions- bestimmungsvorrichtung kann somit nur durch eine größere Anzahl von nebeneinander angeordneten Sensoren erhöht werden. Die Anzahl der Sensoren ist jedoch durch den Gesamthub deε Ankers selbst beschränkt.
Die oben genannte Aufgabe wird daher ebenfalls dadurch vor¬ teilhaft gelöst, wenn die Sensoren quer zur Bewegungsrichtung des Ankers bzw. der Markierung in einer Reihe angeordnet sind. Die Markierung erstreckt sich in diesem Fall über die Breite der quer zur Bewegungsrichtung des Ankers angeordneten Senso¬ ren und ist derartig gestaltet, daß z.B. in der AUS-Stellung
des Ankers kein Sensor die Markierung detektiert und in allen anderen Stellungen jeweils mindestens ein Sensor die Markie¬ rung detektiert.
Es ist jedoch auch möglich, daß die quer zur Bewegungsrichtung angeordneten Sensoren in Bewegungsrichtung des Ankers zuein¬ ander leicht versetzt angeordnet sind. In diesem Fall muß vorteilhaft die sich quer zur Bewegungsrichtung erstreckende Markierung keine spezielle Form aufweisen, damit die Position des Ankers sehr genau bestimmbar ist. Das läßt sich vorteil¬ haft durch eine Breite der Markierung erreichen, die der Breite der durch die einzelnen Sensoren gebildeten Sensorzeile entspricht.
Es weiterhin vorteilhaft, wenn die Markierung aus mehreren Markierungen besteht und jede Markierung den Zustand minde¬ stens eines Sensors beim Verfahren des Ankers zwischen der AUS- und der EIN-Stellung verändert, insbesondere wenn die Markierungen in Bewegungsrichtung des Ankers zueinander ver- setzt angeordnet sind. Die äußeren, quer zur Bewegungsrichtung des Ankers verlaufenden Kanten der Markierung sind bei dieser Ausführungsform insbesondere treppenförmig, wodurch beim Verfahren des Ankers die Sensoren nacheinander aktiviert werden. Durch die Anordnung der Sensoren quer zur Bewegungs- richtung des Ankers, ist die Zahl der verwendeten Sensoren nicht durch den Gesamthub beschränkt, sondern kann den Anfor¬ derungen entsprechend erhöht werden. Zur Erhöhung der Kombina¬ tionsmöglichkeiten ist es von Vorteil, wenn mindestens zwei Markierungen zeitweise von mindestens zwei Sensoren gleich- zeitig detektierbar sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Sensoren raster-förmig bzw. in Reihen und Spalten angeordnet, wodurch die räumlichen Abmessungen der Positionsbestimmungs- Vorrichtung vorteilhaft verkleinert werden, da die Packungs¬ dichte der Sensoren größer ist, als wenn die Sensoren ledig-
lieh in einer Reihe angeordnet sind. Dabei liegen die einzel¬ nen Spalten parallel zur Bwegungsrichtung des Ankers. Bei dieser Ausführungsform hat der Anker für jede der aus mehreren Sensoren bestehenden Spalten mindestens eine separate Markie- rung.
Die Sensoren können bei allen Ausführungsformen mechanische Schalter, Induktions-, Kapazitäts-, Licht-, Magnet- oder Hall- Sensoren sein. Bei der Verwendung von Induktionssensoren besteht die Markierung vorteilhaft aus einem ferromagnetischen Material. Werden dagegen Lichtsensoren bzw. Lichtschranken verwendet, so besteht die Markierung aus einem oder mehreren Durchlässen, Bohrungen oder lichtreflektierenden Flächen. Bei der Verwendung von Hall-Sensoren ist die Markierung ein Dauer- magnet oder besteht aus mehreren einzelnen an verschiedenen Stellen des Ankers befestigten kleineren Dauermagneten.
Für bestimmte Anwendungsfälle ist es von Vorteil, wenn die Sensoren in Bewegungsrichtung des Ankers die Markierungen bzw. die einzelnen Markierungen für unterschiedlich lange Weg¬ strecken detektieren. Eine optimale Ausnutzung der Kombina- tionsmöglichkeiten ergibt sich, wenn die Lage der Sensoren die Wegstrecken, über die die einzelnen Sensoren die Markierung detektieren, und die Anzahl, Größe und relative Lage der Markierung bzw. der einzelnen Markierungen zueinander derart bestimmt sind, daß beim Verfahren des Ankers zwischen der AUS- und EIN-Stellung alle möglichen Zustandskombinationen der Sensoren auftreten. Zweckmäßig ist schließlich die Verbindung der Sensoren mit einer Auswertelektronik.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden mögliche Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1: Eine Positionsbestimmungsvorrichtung mit vier in Bewegungsrichtung des Ankers parallel zueinander angeordneten Sensoren, wobei die Sensoren Licht¬ schranken sind;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Positionsbestim¬ mungsvorrichtung, wobei alle möglichen mittels der Sensoren bestimmbaren Positionen der Markierung dargestellt sind;
Figur 3: eine schematische Darstellung gemäß Fig. 2, wobei die Markierung zweigeteilt ist;
Figur 4 : eine Positionsbestimmungsvorrichtung mit induktiven Sensoren;
Figur 5: eine Positionsbestimmungsvorrichtung mit Hall- Detektoren als Sensoren und einem Magneten als Mar¬ kierung;
Figur 6: eine Positionsbestimmungsvorrichtung mit quer zur Bewegungsrichtung des Ankers angeordneten Hall- Detektoren, wobei die Magnete als Markierungen in Bewegungsrichtung des Ankers zueinander leicht ver- setzt angeordnet sind;
Figur 7: eine Positionsbestimmungsvorrichtung mit quer zur Bewegungsrichtung des Ankers angeordneten Hall- Detektoren, wobei die Hall-Detektoren in Bewegungs- richtung des Ankers zueinander leicht versetzt ange¬ ordnet sind;
Figur 8: eine Positionsbestimmungsvorrichtung mit in zwei Spalten und zwei Reihen angeordneten Sensoren.
Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Positionsbestimmungsvorrichtung 1 mit vier in Bewegungsrichtung 7 des Ankers 2 parallel zueinander ange- ordneten Sensoren 5. Die Sensoren 5 sind Photodetektoren, die zusammen mit den Leuchtmitteln 6 Lichtschranken bilden. Die Leuchtmittel 6 sind dabei insbesondere Photodioden. Die Senso¬ ren 5 und Leuchtmittel 6 sind auf einer Grundplatte 4 angeord¬ net. Die Grundplatte 4 kann dabei eine Leiterplatte sein, die die nicht dargestellte Auswertelektronik zur Verarbeitung der mittels der Sensoren 5 erzeugten Signale trägt. Der Anker 2 hat eine Markierung 3 , die durch eine Aussparung des Ankers 2 gebildet ist. Wird der Anker 2 mittels einer nicht dargestell¬ ten Spule verfahren, so wird die Markierung 3 durch den Detek- tierungsbereich 8 der Sensoren 5 verfahren. Befindet sich die Markierung bzw. die Aussparung 3 zwischen einem Photodetektor 5 und der dazugehörigen Photodiode 6, so wird diese Licht¬ schranke geöffnet bzw. der Sensor 5 aktiviert. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sendet der Sensor 5 dann das Signal "1" an die Auswertelektronik. Die Markierung 3 hat eine räumliche Aus¬ dehnung in Bewegungsrichtung 7 des Ankers 2 , so daß die Markierung 3 von mindestens zwei Sensoren 5 gleichzeitig detektierbar ist. In Fig. 2 ist die Länge der Markierung 3 so bemessen, daß sie von allen Sensoren 5 (siehe Position E) detektierbar ist. Mittels der vier Sensoren 5 können bei einer derart einfachen Gestaltung der Markierung 3 acht Positionen des Ankers 3 sehr genau bestimmt werden. Die Genauigkeit der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 hängt dabei unter anderem von dem Abstand der einzelnen Detektierungsbereiche 8 der Sensoren 5 ab.
Der Detektierungsbereich 8, 10 jedes Sensors 5 kann dabei, wie in Fig. 3 dargestellt, unterschiedliche Abmessungen in Bewe¬ gungsrichtung 7 des Ankers 2 haben. Hierdurch bestimmt sich, für welche Wegstrecke der jeweilige Sensor 5 die Markierung 3 beim Verfahren des Ankers 2 detektiert. In Fig. 3 ist zudem
die Markierung 3 durch den Zwischenbereich 9 zweigeteilt. Der Zwischen-bereich 9 wird von den Sensoren 5 nicht detektiert, d.h. , die Sensoren 5 sind deaktiviert bzw. senden das Signal "0", wenn der Zwischenbereich im Detektierungsbereich 8, 10 des jeweiligen Sensors 5 ist. Durch die Zweiteilung der Markierung 5 läßt sich mittels der vier Sensoren 5 eine Auf¬ lösung (Positionen A bis M) der vom Anker 2 zwischen der AUS- Stellung (Position A) und der EIN-Stellung (Position M) zurückgelegten Hubstrecke von dreizehn Positionen erzielen. Bei einer entsprechenden Anordnung der Sensoren 5 zueinander und einer entsprechenden Unterteilung und Anordnung der Markierungen 3 auf dem Anker, läßt sich eine Auflösung von maximal 2n Positionen bei n verwendeten Sensoren 5 erzielen.
Wird der Anker 2 von der AUS-Stellung (Position A) in Richtung der EIN-Stellung (Position M) verfahren, so tritt die obere Markierung 3 zuerst in den Detektierungsbereich 8 des Sensors
1 (Position B) ein, wodurch der Sensor 1 aktiviert wird und das Signal "1" sendet. Alle anderen Sensoren 2 bis 4 werden noch nicht aktiviert und senden das Signal "0". Wird der Anker
2 weiter in Richtung der EIN-Stellung verfahren, so werden nacheinander die Sensoren 1 bis 3 aktiviert. Durch den größe¬ ren Abstand der Detektierungsbereiche 8 und 10 der Sensoren 3 und 4 voneinander tritt nach Durchfahren der Position D der Zwischenbereich 9 in den Detektierungsbereich 8 des Sensor 1, wodurch dieser deaktiviert wird. Der Abstand der Detektie¬ rungsbereich 8 und 10 der Sensoren 3 und 4 voneinander ist dabei so bemessen, daß beim Verfahren des Ankers 2 von der Position F in die Position G, die obere Markierung 3 den Sensor 3 genau dann nicht mehr aktiviert, wenn der Sensor 4 aktiviert wird. Durch den breiten Detektierungsbereich 10 des Sensors 4 wird bei den Positionen G bis M gewährleistet, daß der Sensor 4 stets aktiviert ist. Mittels der unteren Markie¬ rung 3 werden nacheinander zwischen den Positionen H und L die Sensoren 1 bis 3 aktiviert. Ab der Position K verläßt die untere Markierung 3 die Detektierungsbereiche 8 der Sensoren
1 bis 3 nacheinander. Die Figuren 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform der Positionsbestimmungsvorrichtung 1, wobei die Sensoren 5 in der Figur 4 induktive Sensoren sind, die eine Veränderung des erzeugten Magnetfeldes durch die ferroma- gnetische Markierung 3 registrieren. Durch das Verfahren der Markierung 3 mittels des Ankers 2 in den Detektierungsbereich eines induktiven Sensors 5 wird dieser nach verwendeter Aus¬ wertlogik der Auswertelektronik aktiviert oder deaktiviert. In der Figur 5 sind die Sensoren 5 Hall-Detektoren. Die Markie- rung 3 ist in diesem Fall insbesondere ein Dauermagnet. Sobald sich der Magnet 3 im Detektierungsbereich 8 eines Sensors 5 befindet, wird durch das Magnetfeld des Dauermagneten 3 eine Hall-Spannung im Hall-Detektor erzeugt. Liegt eine Hall- Spannung an den Ausgangsklemmen des Hall-Detektors an, so wird dies als Signal "l" gewertet. Liegt eine Hall-Spannung an, so ist das Ausgangssignal "0". Je nach verwendeter Logik können jedoch die Signale auch andersherum definiert werden.
Die Figuren 6 und 7 zeigen eine Positionsbestimmungsvorrich- tung 1 mit quer zur Bewegungsrichtung 7 des Ankers 2 angeord¬ neten Hall-Detektoren 5. In Figur 6 ist die Markierung 3 in einzelne Markierungen 3 unterteilt. Die Markierungen 3 sind Dauermagnete, die in Bewegungsrichtung 7 des Ankers 2 zuein¬ ander leicht versetzt angeordnet sind, so daß sie beim Ver- fahren des Ankers 2 in Bewegungsrichtung 7 nacheinander in die
Detektierungsbereiche 8 der Sensoren 5 eintreten und diese aktivieren. Die Anzahl der verwendeten Magnete 3 und die Größe der Versetzungen der einzelnen Magnete 3 zueinander kann beliebig fein gewählt werden, so daß die Hubstrecke des Ankers 2 beliebig fein unterteilbar ist. Die Anzahl der verwendeten Magnete 3 hängt dabei lediglich von der Breite des Ankers 2 und nicht von der durch die Hubstrecke des Ankers 2 begrenzten Länge des Ankers 2 ab. Die treppenstufigen Versetzungen können dabei mittels eines Lasers eines Ätzprozesses oder eines anderen geeigneten Vorgangs erzeugt werden.
Dauermagnete können jedoch nicht beliebig klein gefertigt werden, da das durch sie^erzeugte Magnetfeld ab einer gewissen Größe des Dauermagneten nicht mehr ausreichen würde, um eine angemessene Hall-Spannung im Hall-Detektor 5 zu erzeugen. Es ist daher von Vorteil, wenn lediglich ein großer Dauermagnet verwendet wird. Eine derartige Ausführungsform ist in Fig. 7 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform werden die mittels der bekannten Fertigungsverfahren in miniaturisierter Bauweise herstellbaren Hall-Detektoren 5 zueinander in Bewegungsrich- tung 7 des Ankers 2 versetzt angeordnet, so daß beim Verfahren des Ankers 2 die Detektoren 5 nacheinander unter den Dauer¬ magneten 3 gelangen und aktiviert werden.
Fig. 8 zeigt eine Positionsbestimmungsvorrichtung 1 mit in zwei Spalten und zwei Reihen angeordneten Sensoren 5. Der Anker 2 hat dazu zwei Markierungsträger 14, 15, an denen jeweils eine längliche Markierung 16, 17 angeordnet ist. Die Markierungsträger 14, 15 sind durch einen Verbindungssteg 13 miteinander in mechanischer Verbindung. Die Markierungen 16, 17 sind aufgrund der verwendeten Gabellichtschranken 12 Aus¬ sparungen, die den Lichtstrahl der Leuchtdioden 18 hin zu den Photodetektoren 11 freigeben, wodurch der jeweilige Photode¬ tektor 11 der Gabellichtschranken 12 aktiviert wird. Die Gabellichtschranken 12 sind zur leichten Montage und zum einfachen Einbau in das Schütz auf einer Grundplatte 4 ange¬ ordnet. Durch die Anordnung zueinander und die Zahl der ver¬ wendeten Markierungen 16, 17 auf den Markierungsträgern 14, 15 kann eine Auflösung der Positionsbestimmungsvorrichtung 1 von bis zu maximal Auflösung 2n Positionen des Ankers 2 bei n verwendeten Sensoren 12 erzielt werden.