DE3929681A1 - Messeinrichtung zur erfassung eines wegs oder eines drehwinkels - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Erfassung eines Wegs oder eines Drehwinkels nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein bewegliches Meßelement wird relativ zu zwei achsgleich zum Meß­ element angeordneten Meßspulen bewegt. Durch die Bewegung des Meßelements wird das Überdeckungsverhältnis zwischen der einen Spule und dem Meßelement vergrößert, während es um denselben Betrag zwischen der anderen Spule und dem Meßelement verringert wird. Diese Vorrichtung weist eine relativ große Baulänge auf, obwohl nur ein verhältnismäßig kurzer Meßweg erfaßt werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie sehr kompakt baut und eine relativ geringe axiale Länge aufweist. Insbesonders, wenn der Kern aus ferromagnetischem Stoff in die zylinderförmig ausgestaltete Spule eingeführt wird, kann ein hohes Meßsignal beim ferromagnetischen Effekt erreicht werden. Durch die gegensinnige Änderung der Spuleninduktivitäten während des Meß­ vorgangs werden die Meßeffekte der Spulen addiert, während auftretende Meßfehler der Einzelspulen sich oftmals gegeneinander weitgehend kompensieren. Das Meßsignal weist eine geringe Temperatur­ drift auf.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 bis 3 je einen Längsschnitt durch eine Abwandlung einer Meßeinrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist mit 10 eine Meßeinrichtung bezeichnet, die einen Halter 11 mit einem zylinderförmigen Kern 12 aus ferromagnetischem Material und eine Hülse 13 aus nicht ferromagnetischem, aber elektrisch leitfähigem Material aufweist. Die Achsen des Kerns 12 und der Hülse 13 verlaufen parallel zueinander. An einem zweiten Halter 15 sind eine als Spulenkörper dienende zweite Hülse 16 und ein zylinderförmiger, als Spulenkörper dienender zweiter Kern 17 befestigt. Die Hülse 16 und der Kern 17 bestehen vorzugsweise aus nicht elektrisch leitfähigem Material. Die Achsen des Kerns 17 und der Hülse 13 sowie des Kerns 12 und der Hülse 16 sind jeweils achsgleich ausgebildet, so daß jeweils der Kern 12 in die Hülse 16 bzw. der Kern 17 in die Hülse 13 eintauchen kann. Auf dem Kern 17 bzw. auf der Außenwand der Hülse 16 ist je eine von einem Wechsel­ strom durchflossene Spule 19, 20 angeordnet. Am Halter 11 ist, in der Fig. 1 nur angedeutet, ein Meßobjekt 21 befestigt, dessen Bewe­ gung bestimmt werden soll. Der Halter 15 ist dabei dann ortsfest angeordnet. Es ist aber auch eine umgekehrte Befestigung des Meß­ objekts möglich, das heißt das Meßobjekt ist am Halter 15 angeordnet und der Halter 11 ist ortsfest. Ferner kann aber auch an jedem Halter 11 bzw. 15 ein Meßobjekt befestigt sein, so daß sich die beiden Halter 11, 15 relativ zueinander bewegen und die Differenz der beiden Bewegungen bestimmt wird.

Sind die Spulen z. B. in einer Wheatstone′schen Brücke nach Fig. 4a oder 4b oder in einem nicht dargestellten Spannungsteiler verschal­ tet, und fließt durch die Spule 20 ein Wechselstrom, so erfaßt das magnetische Wechselfeld der Spule 20 die Innenfläche der Hülse 13. Bei nicht ferromagnetischem, aber elektrisch leitfähigem Material wirkt nur der Wirbelstromeffekt. Aufgrund der sich auf der Oberflä­ che der Innenwand der Hülse 13 ausbildenden Wirbelströme ergibt sich eine Verminderung der Induktivität der Spule 20, so daß die Höhe der anliegenden Meßspannung abnimmt. Je weiter dabei der Kern 17 mit der Spule 20 in die Hülse 13 eindringt, desto stärker ist die Wirbel­ stromausbildung. Betrachtet man die Spule 19, so erfaßt das magne­ tische Wechselfeld der von einem Wechselstrom durchflossenen Spu­ le 19 die Oberfläche des aus ferromagnetischem Stoff bestehenden Kerns 12. Mit ferromagnetischem Effekt wird die mit größer werdender Eindringtiefe des Kernes 12 in die Spule 19 sich ergebende Induk­ tivitätserhöhung der Spule 19 beschrieben, begründet durch die ferromagnetische Beschaffenheit des Kernmaterials. Bei ferro­ magnetischem Material wirkt sowohl der ferromagnetische Effekt als auch der Wirbelstromeffekt. Während, wie oben ausgeführt, der Wirbelstromeffekt eine Verminderung der Induktivität der Spule hervorruft, bewirkt der ferromagnetische Effekt eine Erhöhung der Induktivität der Spule. Deshalb müssen die Parameter (z. B. Stoff­ eigenschaften des Kernes 12, die Höhe der Frequenz des Wechsel­ stromes, der die Spule 19 durchfließt) so abgestimmt sein, daß der ferromagnetische Effekt überwiegt. Die Änderung der Induktivität der Spule 19 ist somit wiederum ein Maß für die Relativbewegung des Kerns 12 gegenüber der Spule 19. Beim Messen üben der Kern 12 und die Hülse 13 gleichzeitig dieselbe Bewegung aus, so daß sich die Induktivität der beiden Spulen 19, 20 gegensätzlich verändert, das heißt die Induktivität der Spule 20 wird vermindert, während die Induktivität der Spule 19 erhöht wird. Beide Spulen 19, 20 können in der in Fig. 4a dargestellten sogenannten "Halbbrückenschaltung" so miteinander verschaltet werden, daß sich viele Meßfehler ganz oder teilweise kompensieren, während sich der Meßeffekt addiert. Ferner erhält man eine hohe Signalausbeute beim ferromagnetischen Effekt, wenn der Kern 12 in die Spule 19 eintaucht. Es hat sich gezeigt, daß beim ferromagnetischen Effekt kein so hohes Meßsignal erreicht wird, wenn die Spule 19 in eine Hülse aus ferromagnetischem Material eintauchen würde. Beim Wirbelstromeffekt sind zwei Varianten möglich. Es kann sowohl der Kern in eine Spule, als auch die Spule in eine Hülse eintauchen.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 ist die Spule 20a auf einem etwa mittig am Halter 11a befestigten Kern 25 angeordnet. Der Kern 25 wird von einer Hülse 26 umfaßt, auf der sich die Spule 19a befindet. Zwischen der Hülse 26 und dem Kern 25 ist im Halter 11a ein Ring 27 angeordnet. Zwischen der Hülse 26 und dem Kern 25 ist eine am Halter 15a befestigte Hülse 28 bewegbar. Die Hülse 28 weist einen äußeren Teil 29 aus ferromagnetischem Material und einen inneren Teil 30 aus nicht ferromagnetischem, aber elektrisch leit­ fähigem Material auf. Die Hülse 28, die Hülse 26 und der Kern 25 sind achsgleich ausgebildet. Die Wirkungsweise des Ausbildungs­ beispiels nach Fig. 2 stimmt mit dem nach der Fig. 1 überein. Besonders vorteilhaft ist aber die geringere Baugröße in radialer Richtung und die zentrische Anordnung der Bauteile.

Im Ausführungsbeispiel der Meßeinrichtung 11c nach der Fig. 3 sind die Spulenkörper für die Spulen 19b und 20b als im Träger 15b befestigte Hülsen 35, 36 ausgebildet. Beide Hülsen 35, 36 sind achsgleich, wobei die Hülse 35 die Hülse 36 umgreift. Der Abstand zwischen den beiden Hülsen 35, 36 ist dabei so groß zu gestalten, daß sich die Magnetfelder der Spulen verhältnismäßig in bezug zum Meßeffekt geringfügig gegeneinander beeinflussen. In die Hülse 36 ragt ein Kern 37 aus ferromagnetischem Material. Ferner greift über die Hülse 35 eine Hülse 38 aus nicht ferromagnetischem, aber elektrisch leitfähigem Material. Die Hülse 38 und der Kern 37 sind im Halter 11b mit Hilfe des Ringes 27b befestigt und sind achsgleich zu den Hülsen 35, 36 angeordnet. Prinzipiell wäre es bei dieser Aus­ bildung auch möglich, den Kern 37 aus nicht ferromagnetischem, aber elektisch leitfähigem Material und die Hülse 38 aus ferromagnetischem Material herzustellen. Bei dieser Ausbildung würde aber das Meßobjekt aus ferromagnetischem Material nicht in die Spule eintauchen.

Bei allen Ausführungsbeispielen ist es möglich, statt der Hülsen 13, 28, 38 oder den Kernen 12, 37 aus dem entsprechenden Material auf den Hülsen oder auf den Kernen eine Schicht aus dem entsprechenden Material aufzubringen. Besonders beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 kann dieses Verfahren zu einer weiteren Reduzierung der Bau­ größe in radialer Richtung führen. Wird die Spule 20a, wie oben ausgeführt, mit einem Wechselstrom mit einer genügend hohen Frequenz durchströmt, so kann auf dem Innenteil 30 der Hülse 28 eine Schicht aus nicht ferromagnetischem, jedoch elektrisch leitfähigem Material aufgebracht sein. Hierbei können die verschiedenen Aufbringungs­ techniken, wie z. B. Kleben, Galvanisieren, Aufdampfen usw. ange­ wendet werden.

Die Auswertung der Induktivitätsänderung kann auf verschiedene Weise vorweggenommen werden. Im folgenden sind einige Beispiele aufgeführt: Die Auswertung der Induktivitätsänderung der beiden Spulen 19 und 20 kann dabei in der in Fig. 4a dargestellten "Halbbrückenschaltung 39" ausgeführt werden. Die beiden Spulen 19, 20 sind dabei in einer Wheatstone′schen "Halbbrückenschaltung", das heißt in einer Brücke mit zwei "aktiven" Brückenzweigen 19, 20 und den passiven Brücken­ zweigen 40, 41, verschaltet. Es ist aber auch möglich, statt einer Halbbrücke eine Wheatstone′sche "Vollbrücke", wie in Fig. 4b gezeigt, zur Auswertung zu verwenden. Die beiden dazu erforderlichen zusätzlichen Sensorspulen sollten dabei vorzugsweise baugleich zu den beiden, in Fig. 4a dargestellten Spulen der Wheatstone′schen Halbbrücke ausgebildet sein. Die Spulen 19d und 20d sind dann z. B. achsparallel zusätzlich angeordnet. Selbstverständlich kann mit Hilfe der Wheatstone′schen Brückenschaltung anstelle der direkten Auswertung der Spuleninduktivitätswerte auch die Auswertung der Änderung der jeweiligen Spulenwechselstromwiderstände vorweggenommen werden, da diese von der Größe der jeweiligen Spuleninduktivitäten abhängig sind. Als weitere Auswertungsvariante kann man parallel zu jeder Sensorspule einen Kondensator anbringen. In diesem Fall beste­ hen die "aktiven Brückenzweige" aus Parallelschwingkreise, deren Widerstand ebenfalls von den jeweiligen Spulenwechselstromwiderstän­ den abhängig sind.

Eine weitere Auswertevorrichtung 42 zur Bestimmung der Induktivi­ tätsänderung der Spulen 19, 20 ist in der Fig. 5 dargestellt. Die beiden Spulen 19, 20 sind dabei in Serie mit einem oder zwei Konden­ satoren 43 in einem Resonanzkreis verschaltet. Hierbei wird durch Messung der Eigenschwingungsdauer des LC-Schwingkreises (L=Induk­ tivität der Spule, C=Kapazität des Kondensators) die Induktivi­ tätsänderung der Spulen 19, 20 ausgewertet. In Fig. 5 können mit Hilfe des Schalters 44 dabei die Spulen 19 und 20 dem Schwingkreis abwechselnd zugeschaltet werden. Die Änderung der Schwingungsdauer des jeweiligen Schwingkreises ist abhängig von der Änderung der jeweiligen Spuleninduktivität. Als Meßeffekt dient dabei dann die unterschiedliche Eigenschwingdauer der Schwingkreise.

Je nach Gestaltung können sowohl lineare als auch radiale Bewegungen bestimmt werden.

Claims (8)

1. Meßeinrichtung (10) zur Erfassung eines Wegs oder eines Dreh­ winkels, mit mindestens einer auf einem Körper (16, 17) angeord­ neten, von einem Wechselstrom durchflossenen Spule (19, 20), die in Wirkverbindung mit Bereichen (13) aus elektrisch leitfähigem, aber nicht ferromagnetischem Material und Bereichen (12) aus ferro­ magnetischem Material stehen, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Bereich (12, 13) mindestens eine Spule (19, 20) zugeordnet ist, so daß bei der relativen Bewegung der Bereiche (12, 13) und der Spulen (19, 20) zueinander gleichzeitig eine gegensinnige Änderung der Induktivität der Spulen (19, 20) bewirkt wird.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (12) aus ferromagnetischem Material in mindestens eine Spule (19) eintaucht.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Achsen der Spulen (19, 20) parallel nebeneinander ver­ laufend angeordnet sind (Fig. 1).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bereich (13) aus nicht ferromagnetischem, aber elektrisch leitendem Material sich mindestens auf der Innenwand einer Hülse (13) befindet und die zugeordnete Spule (20) innerhalb der Hülse (13) bewegt wird, und daß der Bereich aus ferro­ magnetischem Material (12) innerhalb der zugeordneten Spule (19) bewegt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hülse (28) auf ihrer Innenseite (30) einen Bereich aus elektrisch leitendem aber nicht ferromagnetischem Material aufweist und auf ihrer Außenseite (29) einen Bereich aus ferromagnetischem Material hat, und daß die eine Spule (20a) in die Hülse (28) eintaucht und die andere Spule (19a) die Hülse (28) umgreift (Fig. 2).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen (19b, 20b) auf je einem hülsenförmigen, achs­ gleichen Spulenkörper (35, 36) angeordnet sind, daß ein Bereich (37) aus ferromagnetischem Material in die Hülse (36) ragt und daß ein Bereich aus elektrisch leitfähigem, nicht ferromagnetischem Material als hülsenförmiger Körper (38) die Spulen (19b, 20b) umgreift (Fig. 3).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spulen (19, 20) in einer Wheatstone′schen Brücken­ schaltung oder Spannungsteilerschaltung (39) verschaltet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spulen (19, 20) seriell in einem mindestens einen Kondensator (43) aufweisenden Resonanzschwingkreis (42) verschaltet sind.