DE102010043637A1

DE102010043637A1 - Weggeber

Info

Publication number: DE102010043637A1
Application number: DE201010043637
Authority: DE
Inventors: Stefan Dilger
Original assignee: Elektro Bauelemente GmbH
Current assignee: Elektro Bauelemente GmbH
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2012-05-10
Also published as: ES2543390T3; EP2450671B1; EP2450671A1

Abstract

Ein beweglicher Geberkörper wirkt mit einer Nehmer- bzw. Auswerteschaltung zusammen, die im Wesentlichen aus einer Differentialdrosselanordnung mit zwei Drosselspulen besteht, zwischen denen der aus elektrisch leitfähigem Material bestehende Geberkörper beweglich ist. Die Auswerteschaltung reagiert auf die von der Lage des Geberkörpers abhängige Impedanz der Drosselspulen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Weggeber mit einem relativ beweglichen Geberkörper und einer damit zusammenwirkenden Nehmer- und Auswerteschaltung, die ein vom Weg bzw. der Lage des Geberkörpers abhängiges Ausgangssignal erzeugt.
Aus der Messtechnik sind vielfältige Konstruktionen bekannt, die es ermöglichen, die Lageänderung eines Geberkörpers berührungsfrei zu ermitteln.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen besonders empfindlichen Weggeber zu schaffen, der in der Lage ist, kleinste Lageänderungen des Geberkörpers zu erfassen. Hintergrund dieser Aufgabe ist der Wunsch, kleinste Verformungen an steifen Maschinenbauteilen ermitteln zu können, um insbesondere die Belastung des Maschinenbauteiles durch hohe externe Kräfte oder Drehmomente ermitteln zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der elektrisch leitfähige Geberkörper zwischen stationär angeordneten Spulen einer Differentialdrosselanordnung angeordnet ist und die Auswerteschaltung auf die von der Lage des Geberkörpers abhängige Impedanz der Drosselspulen reagiert.
Hier nutzt die Erfindung die Kenntnis, dass die Empfindlichkeit der Auswerteschaltung und damit die Messgenauigkeit des Weggebers deutlich erhöht werden können, wenn die Spulen mit einer hochfrequenten Wechselspannung beaufschlagt werden, denn die durch den Geberkörper verursachten Impedanzänderungen werden bei hochfrequenter Beaufschlagung der Spulen besonders deutlich.
In diesem Zusammenhang ist gemäß einer besonders bevorzugten. Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Drosselspulen elektrisch in einer Reihenschaltung angeordnet sind, die beim Betrieb mit einer hochfrequenten Rechteckspannung beaufschlagt wird, so dass zwischen den Drosselspulen hochfrequente Wechselspannungsimpulse abgreifbar sind, wobei die Auswerteschaltung eine Differenz zwischen Spannungshüben aufeinanderfolgender Impulse auswertet und in eine Weganzeige umsetzt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Spannungshübe jeweils mit vorgegebener Verzögerung gegenüber der positiven bzw. negativen Startflanke der aufeinanderfolgenden Wechselspannungsimpulse zu erfassen. Dadurch erübrigt es sich, die außerordentlich hohen Amplituden der Wechselspannungsimpulse zu ermitteln, vielmehr wird ein charakteristischer Wert an der Abfallflanke der jeweiligen Impulse ermittelt. Dies ist messtechnisch mit hoher Genauigkeit und in einfacher Weise durchführbar.
Im Ergebnis werden also Differenzen zwischen charakteristischen Punkten der Abfallflanken der Spannungsimpulse ausgewertet. Dabei besteht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Möglichkeit, jeweils einen Mittelwert über eine vorgegebene Anzahl der ermittelten Differenzen zu bilden. Da die Spannungshübe die gleiche Frequenz wie die die Drosselspulen beaufschlagende hochfrequente Wechselspannung aufweisen, kann die Mittelwertbildung über vergleichsweise viele Differenzen erfolgen, gleichwohl wird noch eine hohe Signalfrequenz für die Anzeige der Auswerteschaltung erreicht.
Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert wird.
Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
In der Zeichnung zeigt
1 eine schematisierte Darstellung des erfindungsgemäßen Weggebers,
2 einen schematisierten Schaltplan des erfindungsgemäßen Weggebers bzw. seiner Auswerteschaltung und
3 Diagramme der an Schaltungspunkten A, B und C anliegenden bzw. abgreifbaren elektrischen Spannungen.
Gemäß 1 sind beidseitig eines elektrisch leitenden Geberkörpers 1, der in Richtung des Doppelpfeiles B beweglich ist, stationäre Drosselspulen 2' und 2'', vorzugsweise gleichachsig zueinander, angeordnet. Diese Drosselspulen sind jeweils in topfartigen Gehäusen 3 untergebracht, die einander mit ihren Öffnungen zugewandt sind. An den Böden der Gehäuse 3 ist jeweils ein die zugeordneten Spule bis zur freien Stirnseite axial durchsetzender stabförmiger Spulenkern angeformt. Diese Gehäuse bestehen aus einem magnetisierbaren Material, beispielsweise Ferrit-Material.
Gemäß 2 sind die Anschlüsse A und B einer von den Drosselspulen 2' und 2'' gebildeten Reihenschaltung mit einem Hochfrequenzgenerator 4 verbunden, der die Anschlüsse A und B jeweils mit einer hochfrequenten Rechteck-Wechselspannung beaufschlagt. Dabei ist die am Anschluss B anliegende hochfrequente Rechteck-Wechselspannung gegenüber der am Anschlusspunkt A anliegenden Rechteck-Wechselspannung bei gleicher Frequenz, z. B. 50 kHz, um eine halbe Wellenlänge verschoben. Am Anschlusspunkt C zwischen den Drosselspulen 2' und 2'' ist eine ausgeprägt impulsförmige hochfrequente Wechselspannung abgreifbar, deren Frequenz der Frequenz der an den Anschlusspunkten A und B anliegenden hochfrequenten Rechteck-Wechselspannung entspricht. Wenn der Geberkörper 1 eine Mittellage einnimmt, haben die positiven und negativen Amplituden der bei C abgreifbaren Wechselspannung gleiche Absolutwerte. Bei Verstellung des Geberkörpers 1 aus der Mittellage ergeben sich dann stark unterschiedliche Größenverhältnisse.
Messtechnisch ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, anstelle der wegen ihrer Größe schwer erfassbaren Amplituden der Impulse die Spannungswerte S_v zu erfassen, die nach einer Verzögerungszeit v nach der jeweiligen Startflanke des jeweiligen Impulses vorliegen. Nunmehr wird die Differenz zwischen den Spannungswerten S_v von zeitlich aufeinanderfolgenden Impulsen entgegengesetzter Polarität gebildet, um ein Signal für den Verschiebeweg des Geberkörpers 1 zu erzeugen.
Dies kann messtechnisch durch einen bei C eingangsseitig angeschlossenen Analog-Digital-Wandler erfolgen, der zur Erfassung der Startflanken der positiven bzw. negativen Impulse vom Hochfrequenzgenerator 4 Signale erhält, die die Zeitpunkte der Rechteckflanken der hochfrequenten Rechteck-Wechselspannung wiedergeben. Diese Zeitpunkte entsprechen den Zeitpunkten der Startflanken der Wechselspannungsimpulse am Anschlusspunkt C. Wenn nun der Analog-Digital-Wandler die Spannungswerte S_v jeweils mit vorgegebener Zeitverzögerung nach den Zeitsignalen des Hochfrequenzgenerators 4 für die Rechteckflanken ermittelt und die entsprechenden Differenzen bildet, wird gleichzeitig die Möglichkeit geboten, eine vorgegebene Anzahl nacheinander ermittelter Differenzen einer Mittelwertbildung und/oder einer Summation zu unterziehen. Beispielsweise können bei einer Frequenz des Hochfrequenzgenerators von 50 kHz jeweils 1.000 zeitlich aufeinanderfolgende Differenzwerte für eine Mittelwertbildung oder Summation herangezogen werden, gleichwohl folgen dann die Mittelwerte bzw. die Summenwerte mit einer Frequenz mit 50 kHz aufeinander so dass Wegänderungen des Geberkörpers 1 mit entsprechend hoher Signalfrequenz (50 Hz) erfasst werden.
Durch eine Summation aufeinanderfolgender Differenzen bzw. aufeinanderfolgender Mittelwerte kann die Empfindlichkeit der Auswertung bei noch hinreichender Signalfrequenz erhöht werden.
Die Drosselspulen 2' und 2'' können an einer Platine angeordnet sein, die alle für die Auswertung der Signale notwendigen elektrischen Bauteile trägt. Diese Platine kann in prinzipiell beliebiger Weise an einem Maschinenbauteil befestigt werden, welches seinerseits relativbeweglich gegenüber einem benachbarten Maschinenbauteil ist, das seinerseits den Geberkörper 1 trägt. Auf diese Weise können zwischen den Maschinenbauteilen wirksame Kräfte bzw. Drehmomente mit höchster Genauigkeit und geringem messtechnischen Aufwand ermittelt werden.
Gegebenenfalls kann der Geberkörper 1 auch nach Art eines einseitig eingespannten Balkens ausgebildet und angeordnet sein, wobei das freie Ende des eingespannten Balkens zwischen den Drosselspulen 2' und 2'' beweglich ist. Auf diese Weise lassen sich Belastungen des Balkens etwa in einer Wiegeanordnung sehr genau ermitteln.
Bei allen Ausführungsformen ist vorteilhaft, dass die Auswerteschaltung jederzeit neu geeicht werden kann, so dass im Verlaufe längerer Zeitspannen auftretende „schleichende” Lageänderungen des Geberkörpers „ausgeblendet” werden können.
Die Erfindung kann Lageänderungen des Geberkörpers 1 im Nanometerbereich erfassen.

Claims

Weggeber mit einem relativ beweglichen Geberkörper (1) und einer damit zusammenwirkenden Nehmer- bzw. Auswerteschaltung, die ein vom Weg bzw. von der Lage des Geberkörpers (1) abhängiges Ausgangssignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Geberkörper (1) zwischen stationären Spulen einer Differentialdrosselanordnung angeordnet ist und die Auswerteschaltung auf die von der Lage des Geberkörpers abhängige Impedanz der Drosselspulen reagiert.
Weggeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselspulen (2', 2'') elektrisch in einer Reihenschaltung angeordnet sind, die beim Betrieb mit einer hochfrequenten Rechteckspannung beaufschlagt wird, so dass zwischen den Drosselspulen hochfrequente Wechselspannungsimpulse abgreifbar sind, und dass die Auswerteschaltung eine Differenz zwischen Spannungshüben aufeinanderfolgender Impulse auswertet und in eine Weganzeige umsetzt.
Weggeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungshübe jeweils mit vorgegebener Verzögerung gegenüber der positiven bzw. negativen Startflanke der aufeinanderfolgenden Spannungsimpulse erfasst werden.
Weggeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Wegsignals jeweils ein Mittelwert und/oder eine Summe über eine vorgegebene Anzahl der ermittelten Differenzen gebildet wird.
Weggeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Geberkörper (1) mit kraftabhängiger Beweglichkeit relativ zu den Drosselspulen (2', 2'') angeordnet ist.
Weggeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselspulen (2', 2'') jeweils in topfartigen Gehäusen (3) aus magnetisierbarem Material und mit einem am Topfboden angeformten, die jeweilige Spule (2', 2'') axial durchsetzenden Spulenkern angeordnet und die Topföffnungen einander zugewandt sind.
Weggeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die topfartigen Gehäuse (3) aus Ferritmaterial bestehen.
Weggeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselspulen (2', 2'') gleichachsig zueinander angeordnet sind.
Weggeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Geberkörper (1) in Richtung der Spulenachsen beweglich ist.