WO1998004886A1

WO1998004886A1 - Berührungslos arbeitender wegmesssensor

Info

Publication number: WO1998004886A1
Application number: PCT/DE1997/001611
Authority: WO
Inventors: Felix Mednikov
Original assignee: Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg
Priority date: 1996-07-30
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 1998-02-05
Also published as: DE59710762D1; EP0916075B1; US6246230B1; JP2001505651A; EP0916075A1; JP3340134B2

Abstract

Es wird ein berührungslos arbeitender Wegmeßsensor (1) vorgeschlagen mit einer mit Wechselstrom beaufschlagbaren Meßspule (2), wobei die Meßspule (2) mindestens zwei Spannungsabgriffe (3) aufweist, mit einem elektrisch und/oder magnetisch leitenden Meßobjekt (5) und mit einer Auswerteschaltung (4) zum Auswerten und ggf. Ermitteln einer der Position des Meßobjekts (5) in Bezug auf die Spannungsabgriffe (3) entsprechenden Ausgangsspannung. Damit der Wegmeßsensor eine möglichst kompakte Bauform aufweist, ist das Meßobjekt (5) im Inneren der Meßspule (2) angeordnet und verschiebbar, wobei die Gesamtimpedanz der Meßspule (2) unabhängig von der Position des Meßobjekts (5) ist.

Description

"Berührungslos arbeitender Wegmeßsensor"

Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden Wegmeßsensor mit einer mit Wechselstrom beaufschlagbaren Meßspule, wobei die Meßspule mindestens zwei Spannungsabgriffe aufweist, mit einem elektrisch und/oder magnetisch leitenden Meßobjekt und mit einer Auswerteschaltung zum Auswerten und ggf. Ermitteln einer der Position des Meßobjekts in Bezug auf die Spannungsabgriffe entsprechenden Ausgangsspannung.

Ein berührungslos arbeitender Wegmeßsensor der in Rede stehenden Art wird bereits in der internationalen Patentanmeldung PCT/DE 93/00703 beschrieben. Die Meßspule des bekannten Sensors weist mehrere in definierten Abständen angeordnete Spannungsabgriffe auf und ist in einem Gehäuse gekapselt. Als Meßobjekt dient ein Ring, der das Gehäuse mit Abstand umgreift und entlang der Gehäusewandung verschiebbar ist. Mit Hilfe des bekannten Wegmeßsensors kann nun die Position des Ringes in Bezug auf die an der Meßspule angeordneten Spannungsabgriffe bestimmt werden. Die Anwesenheit des Rings zwischen zwei Spannungsabgriffen wirkt sich nämlich auf die Impedanz des zwischen diesen Spannungsabgriffen liegenden Abschnitts der Meßspule aus und auf alle derartigen "Teir'-Impedanzen der sich in einer Richtung anschließenden Abschnitte der Meßspule. D.h., je nach dem an welcher Stelle der Meßspule sich der Ring befindet, werden unterschiedlich viele Teilimpedanzen beeinflußt. Mit dem bekannten Wegmeßsensor werden nun die an aufeinanderfolgenden Abschnitten der Meßspule abgreifbaren Spannungen aufaddiert, wobei jeweils Zwischensummen gebildet werden, die sich in der steigenden Anzahl der berücksichtigten Spannungswerte unterscheiden. Diese Zwischensummen werden dann abermals zu einer Ausgangsspannung aufaddiert, die sich dann eindeutig zur Position des Rings in Beziehung setzen läßt.

Das Meßobjekt des bekannten Wegmeßsensors befindet sich außerhalb des Spulengehäuses. Dadurch bedingt ist das Meßobjekt relativ exponiert und ungeschützt. Außerdem benötigt der bekannte Wegmeßsensor relativ viel Raum, um eine Beweglichkeit des Meßobjekts auf der Außenseite des Spulengehäuses zu gewährleisten. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen berührungslos arbeitenden Wegmeßsensor der in Rede stehenden Art anzugeben, der eine möglichst kompakte Bauform aufweist und nur relativ wenig Platz für sich beansprucht.

Der erfindungsgemäße, berührungslos arbeitende Wegmeßsensor löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Danach ist der erfindungsgemäße Wegmeßsensor derart ausgebildet, daß das Meßobjekt im Inneren der Meßspule angeordnet und verschiebbar ist, wobei die Gesamtimpedanz der Meßspule unabhängig von der Position des Meßobjekts ist.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß sich die Teilimpedanzen der einzelnen Abschnitte der Meßspule nicht nur über einen die Meßspule umgreifenden Ring als Meßobjekt beeinflussen lassen, sondern auch über ein im Inneren der Spule geführtes Meßobjekt aus einem elektrisch und/oder magnetisch leitenden Material. Bei dieser Anordnung kann das Meßobjekt gezielt bestimmten zu erfassenden Kräften oder Drücken ausgesetzt werden, während es gegen andere unerwünschte Einflüsse abgeschirmt ist. Außerdem führt die Anordnung des Meßobjekts im Inneren der Meßspule zu einem äußerst kompakten Sensoraufbau. Bei dem erfindungsgemäßen Wegmeßsensor ist die Gesamtimpedanz der Meßspule unabhängig von der Position des Meßobjekts, so daß der durch die Meßspule fließende Strom nur von der anliegenden Spannung und nicht von der Position des Meßobjekts abhängt. Dementsprechend ist die Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen Wegmeßsensors im Idealfall auch nur von der Position des Meßobjekts abhängig.

Im Hinblick auf eine einfache Auswertung der Ausgangsspannung ist es von besonderem Vorteil, wenn die Positionen der Spannungsabgriffe so gewählt sind, daß bei Abwesenheit des Meßobjekts zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen immer im wesentlichen die gleiche Spannung abgreifbar ist. Im Falle einer Meßspule mit über ihrer Länge konstantem Spulenquerschnitt und gleichförmigen Spulenwicklungen führt dies zu einer äquidistanten Anordnung der Spannungsabgriffe.

Im Hinblick auf eine einfache und zuverlässige Auswertung der Ausgangsspannung sollte die Dimensionierung des Meßobjekts außerdem auch auf den Abstand zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen abgestimmt sein. Das Meßobjekt sollte sich nämlich in vorteilhafter Weise maximal über den Abstand zwischen zwei benachbarten Spannungsabschnitten erstrecken, damit es einfach zwischen zwei Spannungsabgriffen lokalisiert werden kann.

Als vorteilhafte Materialien für das Meßobjekt kommen sämtliche aus der Praxis bekannten Werkstoffe in Frage, mit denen Spulenkerne realisiert werden. Insbesondere geeignet sind ferromagnetische Werkstoffe und Werkstoffe mit einem geringen spezifischen elektrischen Widerstand.

Der erfindungsgemäße Wegmeßsensor kann je nach Einsatzgebiet mit unterschiedlichen Meßspulen, d.h. mit unterschiedlichen Spulengeometrien, realisiert werden. So könnte bspw. eine Langspule in Form einer Zylinderspule oder einer Spule mit eckigem Querschnitt als Meßspule verwendet werden. Genauso möglich wäre aber auch der Einsatz einer Toroidspule als Meßspule.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wegmeßsensors ist im Inneren der Meßspule ein sich vorzugsweise über die gesamte Länge der Meßspule erstreckendes Spulenrohr angeordnet, in dem wiederum das Meßobjekt angeordnet und verschiebbar ist. Das Spulenrohr dient zum einen zur Stabilisierung der Meßspule, da die Meßspule praktisch um das Spulenrohr gewickelt werden kann, und zum anderen auch als Führung für die Bewegung des Meßobjekts. Dadurch kann in wirkungsvoller Weise die mechanische Beanspruchung der Meßspule durch das Meßobjekt reduziert werden. Das Spulenrohr sollte aus einem Material hergestellt sein, das eine elektrische Isolation zwischen der Meßspule und dem Meßobjekt gewährleistet. Es sollte sich daher um einen nicht ferromagnetischen Werkstoff mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand handeln. In Frage kommt hier rostfreier Stahl mit entsprechenden Eigenschaften aber auch Kunststoff oder Glas.

Der erfindungsgemäße Wegmeßsensor kann je nach Anwendungsfall mit einem Gehäuse versehen sein, das entweder nur die Meßspule mit dem Meßobjekt kapselt und in vorteilhafter Weise auch gegen Störeinflüsse abschirmt, oder zusätzlich auch noch die Auswerteschaltung einschließt und schützt.

Ebenfalls im Hinblick auf eine einfache Auswertung der Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen Wegmeßsensors sollte die Meßspule symmetrisch und gegensin- nig mit Wechselspannung gespeist werden. Als Wechselspannung kann beispielsweise eine Sinusspannung oder auch eine Rechteckspannung angelegt werden. Grundsätzlich kann die Ausgangsspannung auf drei verschiedenen Wegen ermittelt werden.

Eine erste Möglichkeit besteht darin, jeweils die Spannung zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen der Meßspule zu erfassen. Diese Spannungswerte müssen dann in der durch die Anordnung der entsprechenden Spulenabschnitte vorgegebenen Reihenfolge aufaddiert werden, und zwar zunächst zu allen möglichen sich bei dieser Reihenfolge ergebenden Zwischensummen. Die Ausgangsspannung ergibt sich dann als Summe dieser Zwischensummen. Bei dieser Vorgehensweise werden also lediglich die zwischen benachbarten Spannungsabgriffen abgreifbaren Spannungen erfaßt, d.h. gemessen. Mit Hilfe der Auswerteschaltung wird dann aus diesen Spannungswerten die Ausgangsspannung berechnet, und erst durch Auswertung der so berechneten Ausgangsspannung kann die Position des Meßobjekts bestimmt werden.

In einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Wegmeßsensors werden jeweils die Spannungen zwischen den einzelnen Spannungsabgriffen und einem Referenzpotential erfaßt, was den vorab erläuterten Zwischensummen entspricht. Mit Hilfe der Auswerteschaltung werden diese erfaßten, also gemessenen Spannungswerte dann zu der Ausgangsspannung aufaddiert. Das Aufaddieren kann in vorteilhafter Weise mit Hilfe eines summierenden Verstärkers erfolgen, der vorzugsweise einen invertierenden und einen nicht invertierenden Eingang aufweist.

Schließlich können die einzelnen Spannungsabgriffe des erfinduηgsgemäßen Wegmeßsensors auch an einem gemeinsamen Meßwertabgriff zusammengeführt sein. An diesem gemeinsamen Meßwertabgriff ist dann die Ausgangsspannung abgreifbar. Hier wird die Ausgangsspannung also schaltungstechnisch realisiert und direkt gemessen. Die Auswerteschaltung dient hier tatsächlich nur zum Auswerten und nicht zum Ermitteln der Ausgangsspannung.

Werden die einzelnen Spannungsabgriffe nun an einem gemeinsamen Meßwertabgriff zusammengeführt, so ist es vorteilhaft, wenn zwischen die einzelnen Spannungsabgriffe und den gemeinsamen Meßwertabgriff jeweils mindestens ein Widerstand geschaltet ist. Es könnte sich dabei entweder um Widerstände mit im wesentlichen identischem Nennwert oder auch um Widerstände mit unterschiedlichen Nenn- werten handeln. Zur Vereinfachung der Auswertung der Ausgangsspannung ist jedoch die Verwendung von Widerständen mit identischem Nennwert vorzuziehen. In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, wenn die Widerstände einen Nennwert aufweisen, der um etwa zwei Ordnungen höher liegt als der Ausgangswiderstand der Meßspule.

Da die Impedanz der Meßspule in der Regel temperaturabhängig ist und damit auch die Teilimpedanzen temperaturabhängig sind, wirken sich Temperaturschwankungen in der Regel auch auf das Ausgangssignal bzw. die Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen Wegmeßsensors aus, was zu Meßfehlern führen kann. In einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Wegmeßsensors sind daher Mittel zur Kompensation von Temperatureinflüssen vorgesehen.

Um nun den Temperatureinfluß auf die Ausgangsspannung des Wegmeßsensors zu ermitteln, ist es vorteilhaft, die Meßspule nicht nur mit einer Wechselspannung, sondern zusätzlich noch mit einer Gleichspannung zu speisen, d.h. der Wechselspannungskomponente der Ausgangsspannung eine Gleichspannungskomponente zu überlagern. Die Position des Meßobjekts wirkt sich lediglich auf die Wechselspannungskomponente, nicht aber auf die Gleichspannungskomponente aus. Dementsprechend kann durch Separierung der Gleichspannungskomponente der Ausgangsspannung der Temperatureinfluß auf die Wechselspannungskomponente der Ausgangsspannung ermittelt werden. Anschließend kann dann dieser Temperatureinfluß kompensiert werden.

Um auch die Temperaturcharakteristik der Meßspule insgesamt berücksichtigen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Auswerteschaltung auch Mittel zur Temperaturerfassung umfaßt. Dazu kann z.B. ein temperaturabhängiger Gleichstrom- oder Wechselstromwiderstand bestimmt werden. Bspw. mit Hilfe eines Mikroprozessors, in dem das Temperaturverhalten der Meßspule abgespeichert ist, kann dann die Temperaturcharakteristik der Meßspule berücksichtigt werden.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung von mehreren bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevor- zugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Wegmeßsensors,

Fig. 2 ein erstes Schema zur Erläuterung der unterschiedlichen Abgriffs- und

Auswertungsvarianten ,

Fig. 3 ein zweites Schema zur Erläuterung einer Meßwertauswertung durch das Aufsummieren von Strömen,

Fig.4 den in Figur 1 dargestellten Wegmeßsensor mit einem die Einzelspannungen summierenden Verstärker,

Fig. 5 den in Figur 1 dargestellten Wegmeßsensor, bei dem die Ströme aufsummiert werden,

Fig. 6 ein dem in Fig. 4 dargestellten Wegmeßsensor entsprechender

Wegmeßsensor, der zusätzlich mit Mitteln zur Temperaturkompensation ausgestattet ist, und

Fig. 7 eine weitere konstruktive Variante für einen erfindungsgemäßen

Wegmeßsensor.

In Fig. 1 ist ein Wegmeßsensor 1 mit einer Meßspule 2 dargestellt, wobei die Meßspule 2 mit Wechselstrom beaufschlagbar ist. An der Meßspule 2 sind mindestens zwei Spannungsabgriffe 3 vorgesehen. Da je nach Anwendung des Wegmeßsensors 1 eine beliebige Anzahl von Spannungsabgriffen 3 vorgesehen sein kann, sind in Fig. 1 1 , 2, 3, ... n Spannungsabgriffe 3 angedeutet. Die Spannungsabgriffe 3 werden einer Auswerteschaltung 4 zugeführt. Über die Auswerteschaltung 4 erfolgt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel auch die Spannungsversorgung der Meßspule 2. Der dargestellte Wegmeßsensor 1 umfaßt ferner noch ein Meßobjekt 5. Erfindungsgemäß ist das Meßobjekt 5 im Inneren der Meßspule 2 angeordnet und innerhalb der Meßspule 2 verschiebbar. Die Meßspule 2 ist derart konzipiert, daß ihre Gesamtim- pedanz unabhängig von der Position des Meßobjekts 5 ist. Die Anwesenheit des Meßobjekts 5 in einem der durch die Spannungsabgriffe 3 definierten Abschnitte der Meßspule 2 beeinflußt aber die Teilimpedanzen des entsprechenden Spulenabschnitts und der sich in einer Richtung daran anschließenden Spulenabschnitte. Mit Hilfe der Auswerteschaltung 4 läßt sich daher die Position des Meßobjekts 5 bezüglich der Spannungsabgriffe 3 bestimmen. Einzelheiten der Meßwertauswertung werden in Verbindung mit Fig. 4 näher erläutert.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Meßspule 2 handelt es sich um eine Langspule, nämlich um eine Zylinderspule mit gleichmäßigen Wicklungen. Die Positionen der Spannungsabgriffe 3 sind hier so gewählt, daß bei Abwesenheit des Meßobjekts 5 zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen 3 immer im wesentlichen die gleiche Spannung abgreifbar ist. Dazu sind die Spannungsabgriffe 3 im wesentlichen äquidi- stant angeordnet.

Das Meßobjekt 5 ist hier so dimensioniert, daß es sich maximal über den Abstand zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen 3 erstreckt. Da es sich auf die Teilimpedanzen der jeweiligen Abschnitte der Meßspule 2 auswirken soll, ist das Meßobjekt 5 aus einem ferromagnetischen Werkstoff oder aus einem Werkstoff mit einem geringen spezifischen elektrischen Widerstand gebildet.

Die Meßspule 2 ist hier um ein Spulenrohr 6 gewickelt. Im inneren des Spulenrohrs 6 befindet sich das Meßobjekt 5. Damit nun die Funktionsfähigkeit des Wegmeßsensors 1 nicht gestört wird, ist das Spulenrohr 6 aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand gebildet. Dabei könnte es sich um einen rostfreien Stahl mit entsprechenden Eigenschaften handeln. Als Spulenrohr 6 könnte aber auch ein Kunststoff- oder Glasrohr dienen.

Schließlich umfaßt der in Fig. 1 dargestellte Wegmeßsensor 1 noch ein Gehäuse 7, das lediglich die Meßspule 2 mit dem Spulenrohr 6 und dem Meßobjekt 5 umfaßt. Aus dem Gehäuse 7 herausgeführt sind einerseits die Anschlüsse an die Versor- gungs- und Auswerteschaltung 4 und andererseits die Spannungsabgriffe 3. In einer vorteilhaften Variante des dargestellten Wegmeßsensors 1 könnte das Gehäuse 7 auch die Auswerteschaltung 4 mit sämtlichen Zuleitungen einschließen. Die Auswertung der von dem in Fig. 1 dargestellten Wegmeßsensor erfaßten Span- nungswerte wird nachfolgend anhand von Fig. 2 näher erläutert.

Im linken Teil der Fig. 2 ist die Meßspule 2 schematisch als eine Reihenschaltung von Impedanzen Z-\ bis - hier beispielhaft - Z5 dargestellt. Diese Impedanzen Z*\ bis Z5 entsprechen den Teilimpedanzen der zwischen den Spannungsabgriffen 3 liegenden Abschnitte der Meßspule 2. Die Meßspule 2 wird von einer Wechselspannung U gespeist.

Die Spannungen U-_j bis U5 entsprechenn den Spannungen, die jeweils zwischen benachbarten Spannungsabgriffen 3 erfaßbar sind, also den über den Impedanzen Z-_j bis Z5 abfallenden Spannungen U-_| bis U5. Je nach der schaltungstechnischen Realisierung können auch die in aufsteigender Reihenfolge aufsummierten Spannungen U-_j bis U5. in Form der Zwischensummen U_a bis U_e abgegriffen werden, wobei

U_a = U₁

U_b = U_{1 +} U₂ u_c = u_{1 +} u_{2 +} u₃

U_e = U-, + U₂ + U₃ + U₄ + U₅.

Diese Zwischensummen U_a bis U_e werden dann abermals aufaddiert zu der Ausgangsspannung, die nachfolgend als U_0Uf bezeichnet wird.

Uout = Ua ⁺ Ub + U_{c +} U_{d +} U_e (1) oder

U_out = U₁ + 2U₂ + 3U₃ + 4U₄ + 5U₅ (2)

Zur Bestimmung der Ausgangsspannung U_out stehen also zwei Vorgehensvarianten zur Verfügung:

Variante 1 : Die abgegriffenen Spannungswerte U_a, U^, U_c, U, , U_e werden von einem Addierer zu einer Gesamtspannung - der Ausgangsspannung U_out - aufaddiert (Gleichung (1 )). Variante 2: Die zwischen den Spannungsabgriffen 3 erfaßten Einzelspannungen U-_j , U₂, U₃, Uφ U5 werden entsprechend der Gleichung (2) gewichtet mit einem Addierer zu der Ausgangsspannung U_ou^ aufaddiert.

Bei beiden Varianten kann die Addition der Spannungen mit der in Fig. 1 dargestellten Auswerteschaltung 4 sowohl analog als auch digital ausgeführt werden.

Je nach dem, an welcher Position sich das Meßobjekt 5 befindet, werden jeweils nur bestimmte Impedanzen der Impedanzen Z-_| bis Z5 beeinflußt. Befindet sich das Meßobjekt 5 bspw. im Bereich des ersten Abschnitts der Meßspule 2, so werden alle Impedanzen Z-_j bis Z5 beeinflußt. Befindet sich das Meßobjekt 5 hingegen im Bereich des mittleren, dritten Abschnitts der Meßspule 2, so werden lediglich die Impedanzen Z₃ bis Z5 beeinflußt. Wie aus Gleichung (2) folgt, hat Z₂ den doppelten Einfluß auf die Ausgangsspannung U_out wie Z-_j , Z₃ den dreifachen Einfluß usw.. Entsprechend wirkt sich die Position des Meßobjekts 5 nicht nur auf die betroffenen Impedanzen aus sondern auch auf die Zwischensummen U_a bis U_e und letztlich auf die Ausgangsspannung U_0Uf. Daher läßt sich die Ausgangsspannung U_out eindeutigt einer Position des Meßobjekts 5 bezüglich der Spannungsabgriffe 3 zuordnen.

Fig. 3 zeigt ein zweites Schema zur Erläuterung der Auswertevarianten. Hier wird die Meßspule 2 - ähnlich wie in Fig. 2 - schematisch als Reihenschaltung von Impedanzen Z-_j bis Z5 dargestellt. Die Meßspule 2 wird von fünf Wechselstromquellen gespeist. Deshalb fließt über die Impedanz Z-_j ein Strom I, über die Impedanz Z₂ ein Strom 21, über die Impedanz Z₃ ein Strom 31, über die Impedanz Z4 ein Strom 41 und über die Impedanz Z5 ein Strom 51. Bei diesem Schema werden die Ströme I direkt in der Meßspule 2 addiert. Ausgangssignal ist:

U_out = l (Z-, + 2Z₂ + 3Z₃ + 4Z₄ + 5Z₅) (3)

Fig. 4 zeigt eine Variante der Meßwerterfassung im Rahmen eines Wegmeßsensors 1 mit einer mit Wechselspannung beaufschlagbaren Meßspule 2, wobei die Meßspule 2 mehrere Spannungsabgriffe 3 aufweist und im Inneren der Meßspule 2 das Meßobjekt 5 angeordnet ist. Die Addition der Spannungswerte erfolgt hier mit Hilfe eines Addierers. Die einzelnen Spannungsabgriffe 3 werden über Widerstände 9 (R^ bis R_n) und einen Knotenpunkt 11 an den invertierenden Eingang eines Differentialverstärkers 12 geführt. Das Potential des invertierenden Eingangs des Differential- verstärkers 12 ist "0", während der nicht invertierende Eingang auf Erde liegt. Dies bedeutet, daß die abgegriffenen Spannungswerte unabhängig voneinander addiert werden können. Parallel zum invertierenden Eingang und Ausgang des Differentialverstärkers 12 ist ein Widerstand RQ geschaltet. Wenn alle Widerstände 9 (R-_j bis R_n) gleich sind (R₁=R₂=...= R_n), ergibt sich der Verstärkungsfaktor K des Differentialverstärkers 12 als:

^R0 K = ---- .

R

Für die durch den Differentialverstärker 12 verstärkte Ausgangsspannung U_out gilt dann

U n U_out = - --- ₊ κ L i Zi , Z 1=1

wobei iie an der Meßspule 2 anliegende Wechselspannung und Z die Gesamtimpedanz der Meßspule 2 ist.

Die Widerstände 9 (R-_j bis R_n) können auch unterschiedliche Nennwerte aufweisen. Dadurch kann die Empfindlichkeit des Wegmeßsensors in bestimmten Bereichen, z.B. in den Randbereichen, erhöht werden.

Entsprechend dem in Fig. 3 dargestellten Auswerteschema werden die einzelnen Abschnitte der Meßspule 2 bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wegmeßsensors jeweils mit einem bestimmten Strom I gespeist. Die entsprechenden Stromquellen werden durch eine Spannungsquelle l^j-ind Widerstände R-_j bis R_n realisiert, wobei

_Rl = R₂ = ... = R_n » Z₁ = Z₂ = ... = Z_n.

Die Meßspule 2 wird an den invertierenden und an den nicht invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 12 angeschlossen. Mit einem zwischengeschalteten Lastpotentiometer R|_ kann der Nullpunkt am Ausgang des Differentialverstärkers 12 eingestellt werden, wenn sich das Meßobjekt 5 in der Mitte der Meßspule 2 befindet. Wird das Meßobjekt 5 aus der Mittellage ausgelenkt, so ändert sich die Ausgangsspannung U_out proportional und die Phase ändert sich um 180

Fig. 6 zeigt einen Wegmeßsensor 1 , der im wesentlichen wie der in Fig. 4 dargestellte Wegmeßsensor aufgebaut ist, wobei hier allerdings die Auswerteschaltung durch Mittel zur Temperaturkompensation ergänzt ist. Dazu ist die Meßspule 2 nicht nur an eine Wechselspannungsquelle 13 angeschlossen, sondern auch - über Widerstände R-_|_ und R₂₌ - an eine Gleichspannungsquelle 14. Dementsprechend wird dem Verstärker 12 ein Ausgangssignal bzw. eine Ausgangsspannung zugeführt, in der sich eine Wechselstromkomponente und eine Gleichstromkomponente überlagern. Die Gleichstromkomponente ist unabhängig von der Position des Meßobjekts 5, hängt aber - genauso wie die Wechselstromkomponente - von der Temperatur ab.

Das über den Verstärker 12 verstärkte Ausgangssignal wird nun auf zwei Kanäle 15 und 16 aufgespalten. Im Kanal 15 wird mit Hilfe eines Niederfrequenzfilters 17 und eines nachgeschalteten Gleichstromverstärkers 18 die Gleichstromkomponente des Ausgangssignals ermittelt. Im Kanal 16 wird mit Hilfe eines Demodulators 19 und eines nachgeschalteten Filters und ggf. Verstärkers 20 die Wechselstromkomponente des Ausgangssignals ermittelt. Da die Gleichstromkomponente lediglich der Temperaturbeeinflussung unterliegt und die Wechselstromkomponente sowohl von der Temperatur als auch von der Position des Meßobjekts 5 abhängig ist, kann nun mit Hilfe der Gleichstromkomponente die Temperaturbeeinflussung der Wechselstromkomponente kompensiert werden, wozu die beiden Kanäle 15 und 16 in dem Endverstärker 21 zusammengeführt und verrechnet werden. Am Ausgang des Endverstärkers 21 ist dann die von Temperatureinflüssen bereinigte Ausgangsspannung U_out abgreifbar. Wenn die Meßspule 2 mit zwei zueinander komplementären Spannungen gespeist wird (symmetrisch zu dem Referenzpotential) und sich das Meßobjekt 5 in der Mitte der Meßspule 2 befindet, wird das Ausgangssignal gleich "0" der Wegmeßsensor 1 funktioniert dann wie ein Differentialsensor (Null in der Mitte).

Mit Hilfe der hier dargestellten Schaltung kann außerdem noch auf dem Wege der Widerstandsbestimmung mit Hilfe des Bauteils 22 der Absolutwert der Temperatur ermittelt werden, was für bestimmte Anwendungen des erfindungsgemäßen Wegmeßsensors 1 vorteilhaft sein kann. Fig. 7 zeigt eine spezielle Bauform des erfindungsgemäßen Wegmeßsensors 1 mit einer Toroidspule als Meßspuie 2. Die Meßspule 2 ist hier auf ein ringförmiges Spulenrohr 6 gewickelt, welches zwei Öffnungen zur Druckbeaufschlagung (p1 und p2) aufweist. Als Meßobjekt dient hier eine Kugel 5, deren Position sich aufgrund der anliegenden Drücke p1 und p2 einstellt. Die Verschaltung der Spannungsabgriffe 3 kann hier entsprechend einer beliebigen der in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Varianten erfolgen.

Hinsichtlich weiterer, in den Figuren nicht dargestellter vorteilhafter Varianten des erfindungsgemäßen Wegmeßsensors wird auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Berührungslos arbeitender Wegmeßsensor (1) mit einer mit Wechselstrom beaufschlagbaren Meßspule (2), wobei die Meßspule (2) mindestens zwei Spannungsabgriffe (3) aufweist, mit einem elektrisch und/oder magnetisch leitenden Meßobjekt (5) und mit einer Auswerteschaltung (4) zum Auswerten und ggf. Ermitteln einer der Position des Meßobjekts (5) in Bezug auf die Spannungsabgriffe (3) entsprechenden Ausgangsspannung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Meßobjekt (5) im Inneren der Meßspule (2) angeordnet und verschiebbar ist, wobei die Gesamtimpedanz der Meßspule (2) unabhängig von der Position des Meßobjekts (5) ist.

2. Wegmeßsensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Positionen der Spannungsabgriffe (3) so gewählt sind, daß bei Abwesenheit des Meßobjekts (5) zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen (3) immer im wesentlichen die gleiche Spannung abgreifbar ist.

3. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Meßobjekt (5) maximal über den Abstand zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen (3) erstreckt.

4. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (5) aus einem ferromagnetischen Werkstoff gebildet ist.

5. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (5) aus einem Werkstoff mit einem geringen spezifischen elektrischen Widerstand gebildet ist.

6. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Meßspule (2) um eine Langspule handelt.

7. Wegmeßsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Meßspule (2) um eine Zylinderspule handelt.

8. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule einen eckigen Querschnitt aufweist.

9. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Meßspule (2) um eine Toroidspule (Ringspule) handelt.

10. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern der Meßspule (2) ein sich vorzugsweise über die gesamte Länge der Meßspule (2) erstreckendes Spulenrohr (6) angeordnet ist und daß das Meßobjekt (5) im Innern des Spulenrohres (6) angeordnet ist.

11. Wegmeßsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulenrohr (6) aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand gebildet ist.

12. Wegmeßsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulenrohr aus rostfreiem Stahl gebildet ist.

13. Wegmeßsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulenrohr aus einem Kunststoff gebildet ist.

14. Wegmeßsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulenrohr aus Glas gebildet ist.

15. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Meßspule (6) und die Auswerteschaltung kapselndes und ggf. abschirmendes Gehäuse (7) vorgesehen ist.

16. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule (6) symmetrisch mit zwei zueinander komplementären Spannungen gespeist wird.

17. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule mit einer Rechteckspannung gespeist wird.

18. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei jeweils die Spannung zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen (3) erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) Mittel zum Aufaddieren der erfaßten Spannungswerte vorzugsweise in der Reihenfolge ihrer Anordnung und Mittel zum Aufaddieren der sich dabei ergebenden Zwischensummen zu der Ausgangsspannung umfaßt.

19. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei jeweils die Spannung zwischen den einzelnen Spannungsabgriffen (3) und einem Referenzpotential (8) erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) Mittel (10) zum Aufaddieren der erfaßten Spannungswerte zu der Ausgangsspannung umfaßt.

20. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) als Mittel (10) zum Aufaddieren von Spannungswerten mindestens einen summierenden Verstärker umfaßt.

21. Wegmeßsensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (10) einen invertierenden und einen nicht invertierenden Eingang aufweist.

22. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die einzelnen Spannungsabgriffe (3) an einem gemeinsamen Meßwertabgriff (11) zusammengeführt sind, an dem dann die Ausgangsspannung abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die einzelnen Spannungsabgriffe (3) und den Meßwertabgriff (11) jeweils mindestens ein Widerstand (9) geschaltet ist.

23. Wegmeßsensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (9) einen im wesentlichen identischen Nennwert aufweisen.

24. Wegmeßsensor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände unterschiedliche Nennwerte aufweisen.

25. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (9) einen Nennwert aufweisen, der um etwa zwei Ordnungen höher liegt als der Ausgangswiderstand der Meßspule.

26. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Kompensation von Temperatureinflüssen vorgesehen sind.

27. Wegmeßsensor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule (2) zusätzlich mit Gleichspannung gespeist wird.

28. Wegmeßsensor nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule (2) über mindestens einen Widerstand (R1 , R2) an eine Gleichspannungsquelle (14) angeschlossen ist.

29. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) Mittel (22) zur Temperaturerfassung und zum Berücksichtigen der Temperaturcharakteristik der Meßspule (2) bei der Auswertung der erfaßten Spannung umfaßt.

30. Wegmeßsensor nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturerfassung durch Ermittlung eines Gleichstrom- oder Wechselstromwiderstandes erfolgt.

31. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) Mittel zum Separieren und getrennten Verarbeiten der Wechselspannungs- und der Gleichspannungskomponente der erfaßten Spannung und Mittel zum Eliminieren des Temperatureinflusses auf die Wechselstromkomponente umfaßt.

32. Wegmeßsensor nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) als Mittel zum Separieren und Verarbeiten der Wechselspannungs- und der Gleichspannungskomponente jeweils mindestens einen Filter (17, 20) umfaßt und daß zur Verarbeitung der Wechselstromkomponente zusätzlich ein Demodulator (19) vorgesehen ist.

33. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) als Mittel zum Eliminieren des Temperatureinflusses auf die Wechselstromkomponente einen Differentialverstärker (21) umfaßt, wobei die demodulierte, gefilterte und ggf. verstärkte Wechselstromkomponente an einen Eingang des Differentialverstärkers (21) geführt ist und die gefilterte und ggf. ver- stärkte Gleichstromkomponente an den anderen Eingang des Differentialverstärkers (21) geführt ist.

34. Wegmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule in Form einer Reihenschaltung einzelner, mindestens eine Spulenwindung umfassender Abschnitte realisiert ist und daß die einzelnen Abschnitte der Meßspule jeweils von einer Wechselstromquelle gespeist werden.