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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden Wegmesssensor, umfassend: zumindest zwei entlang einer gemeinsamen Achse orientierte Messspulen, ein elektrisch und/oder magnetisch leitendes Messobjekt, welches in elektromagnetischer Wechselwirkung mit der Spulenanordnung steht, und eine auf der gemeinsamen Achse angeordnete Zusatzspule, welche zumindest eine der beiden Messspulen wenigstens teilweise überlappt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur berührungslosen Wegstreckenmessung.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Aus dem Stand der Technik bekannte, berührungslos arbeitende Wegmesssensoren, welche beispielsweise nach dem Differenzialdrosselprinzip oder dem Differenzialtransformatorprinzip (LVDT) arbeiten, weisen bauartbedingt das technische Problem auf, in dem sich auch in dem Fall, in dem sich das Messobjekt außerhalb des Messbereiches befindet, ein Messsignal einstellen kann, welches nicht von einem gültigen Messsignal unterschieden werden kann. Bei einem nach dem Differenzialdrosselprinzip arbeitenden Wegmesssensor bzw. Wegaufnehmer sind zwei Spulen in Reihe geschaltet und arbeiten gemeinsam mit einem typischerweise ferromagnetischen Kern als Messobjekt nach der Art einer Wheatstone'schen Halbbrücke zusammen. Befindet sich der ferromagnetische Messkörper, bei dem es sich beispielsweise um einen im Inneren der Spulen angeordneten Tauchanker handeln kann, exakt in der Mittelstellung zwischen den beiden Messspulen, so ist die Brückenschaltung abgeglichen und die Messspannung ist identisch Null. Wird der Kern aus dieser Ausgangsposition herausbewegt, so ändern sich die Scheinwiderstände der beiden Messspulen gegensinnig und die Messspannung wächst innerhalb des gültigen Messbereiches, im Idealfall proportional mit der Verschiebung des Messobjektes. Anhand des an einem solchen Wegstreckensensor abgegriffenen Signals lässt sich jedoch der Fall, in dem sich der Kern exakt in seiner Ausgangsposition, also zwischen den beiden Messspulen, befindet und der Fall, in dem der Kern, beispielsweise aufgrund eines Defekts des Wegstreckensensors, aus dem gültigen Messbereich entfernt wurde, nicht unterscheiden. Aus diesem Grunde müssen bei aus dem Stand der Technik bekannten Wegstreckensensoren aufwändige Vorkehrungen getroffen werden, um auszuschließen, dass das Messobjekt den gültigen Messbereich verlässt.
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Ähnliche technische Herausforderungen treten bei Wegstreckensensoren auf, die nach dem Differenzialtransformatorprinzip arbeiten. Solche Wegstreckensensoren bestehen aus einer Primär- und zwei Sekundärspulen, die über einen ferromagnetischen Kern, bei welchem es sich ebenfalls um einen Tauchanker handeln kann, nach dem Prinzip eines Transformators gekoppelt sind. Die Primärspule, welche sich, betrachtet entlang einer gemeinsamen Längserstreckungsrichtung der genannten drei Spulen, zwischen den beiden Sekundärspulen befindet, wird mit einer Wechselspannung gespeist. Der Kern bewirkt eine Kopplung zwischen der Primär- und den beiden Sekundärspulen. In den beiden der Primärspule benachbarten Sekundärspulen wird eine sekundärseitige Spannung induziert, welche aufgrund der gegensinnigen Kopplung der beiden Sekundärspulen in der Mittelstellung des Kerns identisch Null ist. Wird der Kern aus dieser Ausgangsposition verschoben, so verändert sich die Messspannung in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg des Kerns. Auch bei dem nach dem Differenzialtransformatorprinzip arbeitenden Wegstreckenaufnehmer lässt sich also derjenige Fall, in dem sich der Kern exakt in seiner Ausgangsposition zwischen den beiden Sekundärspulen befindet, und der Fall, in dem der Kern aus der Spulenanordnung entfernt wurde, allein anhand des von einem solchen Wegmesssensor abgegebenen Signals nicht unterscheiden. Somit müssen auch bei einem solchen Wegmesssensor entsprechende Vorkehrungen getroffen werden, um auszuschließen, dass das Messobjekt den gültigen Messbereich verlässt.
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Das oben beschriebene Verhalten der genannten Wegstreckensensoren kann unter Umständen zu Fehlinterpretationen der von diesen Sensoren abgegebenen Messsignale führen. Außerdem bedeuten die Vorkehrungsmaßnahmen, durch welche sichergestellt wird, dass das Messobjekt den gültigen Messbereich nicht verlässt, einen zusätzlichen konstruktionstechnischen Aufwand.
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Aus der
DE 694 00 263 T2 ist ein redundantes Sensorsystem bekannt, das eine Spulenanordnung aufweist, die zumindest zwei entlang einer gemeinsamen Achse orientierten Messspulen umfasst.
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In der
DE 40 33 252 A1 ist eine Vorrichtung zur Wegmessung beschrieben, die ebenfalls eine Spulenanordnung aufweist, die zumindest zwei entlang einer gemeinsamen Achse orientierten Messspulen umfasst.
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Aus der
DE 103 38 265 B3 ist ein Positionsmesssystem bekannt, das zwei Wegaufnehmer aufweist.
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Die
EP 0 340 317 A1 zeigt einen induktiven Wegaufnehmer mit zwei koaxial und in einer Messbrücke angeordnete Induktionsspulen gleicher Induktionsrichtung.
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In der
DE 10 2009 049 063 A1 ist eine Wegsignal-Erfassungsschaltung zur Erfassung eines Wegs eines Stößels in einem Stellglied beschrieben, die zwei Messspulen umfasst.
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BESCHREIBUNG
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten berührungslos arbeitenden Wegmesssensor sowie ein verbessertes Verfahren zur berührungslosen Wegstreckenmessung anzugeben, bei welchem es insbesondere möglich ist, festzustellen, ob sich das Messobjekt des Wegmesssensors in einem gültigen Messbereich befindet.
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Der erfindungsgemäße, berührungslos arbeitende Wegmesssensor umfasst eine Spulenanordnung mit zumindest zwei entlang einer gemeinsamen Achse orientierten Messspulen. Außerdem umfasst dieser Wegmesssensor ein elektrisch und/oder magnetisch leitendes Messobjekt, welches in elektromagnetischer Wechselwirkung mit der Spulenanordnung steht. Eine Auswerteschaltung zum Auswerten und Ermitteln einer Position des Messobjektes ist mit einem Spannungsabgriff der Spulenanordnung gekoppelt. An diesem Spannungsabgriff ist ein Signal erfassbar, welches eine Position des Messobjektes in Bezug auf eine Ausgangsposition des Messobjektes angibt. Die Auswerteschaltung ist dazu ausgelegt dieses Signal in eine Ausgangsgröße umzuwandeln, die die Position des Messobjektes in Bezug auf seine Ausgangsposition angibt. Außerdem umfasst der berührungslos arbeitende Wegmesssensor eine auf der gemeinsamen Achse angeordnete und mit der Auswerteschaltung gekoppelte Zusatzspule, welche so angeordnet ist, dass sie zumindest eine der beiden Messspulen wenigstens teilweise überlappt.
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Vorteilhaft steht in dem berührungslos arbeitenden Wegmesssensor ein weiteres Signal, nämlich das Signal der Zusatzspule, der Auswerteschaltung zur Verfügung. Die Auswertung dieses weiteren Signals erlaubt eine Beurteilung, ob sich das Messobjekt in einem gültigen Messbereich des Wegmesssensors befindet oder nicht. Der berührungslos arbeitende Wegmesssensor gemäß Aspekten der Erfindung ist somit einerseits zuverlässiger als aus dem Stand der Technik bekannte Wegmesssensoren und andererseits mechanisch einfacher zu konstruieren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Spulensystem des Wegmesssensors, wenn dieses entlang der gemeinsamen Achse betrachtet wird, in Bezug auf die Ausgangsposition des Messobjektes symmetrisch aufgebaut. Im Gegensatz dazu ist die Zusatzspule, ebenfalls betrachtet entlang der gemeinsamen Achse, in Bezug auf die Ausgangsposition des Messobjektes, asymmetrisch angeordnet.
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Mit anderen Worten ist das Spulensystem spiegelsymmetrisch zu einer Ebene aufgebaut, welche senkrecht zu der gemeinsamen Achse orientiert ist. Die Spiegelebene schneidet die gemeinsame Achse an der Ruheposition oder Ausgangsposition des Messobjektes. Ist der Wegmesssensor, gemäß weiteren Aspekten der Erfindung, nach dem Differenzialdrossel- oder Differenzialtransformatorprinzip aufgebaut, so ist im einfachsten Fall diese Ruhe- bzw. Ausgangsposition dadurch definiert, dass in dem Fall, in dem sich das Messobjekt in dieser Ausgangsposition befindet, die beiden Messspulen des Spulensystems abgeglichen sind und an dem Spannungsabgriff kein Signal zu messen ist.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Wegmesssensoren mit symmetrisch aufgebauten Spulensystemen liefern bauartbedingt, wenn sich das Messobjekt in seiner Ausgangsstellung in der Mitte des Messbereiches befindet, das gleiche Signal wie in dem Fall, in dem kein Messobjekt in dem Spulensystem vorhanden ist. Eine asymmetrische Anordnung der Zusatzspule, welche, wie bereits erwähnt, ein weiteres Signal zur Verfügung stellt, überwindet diesen bauartbedingten Nachteil.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Wegmesssensor bzw. dessen Spulenanordnung ein offenes Ende auf, an dem das Messobjekt einen Messbereich des Wegmesssensors verlassen kann. Die Zusatzspule ist, gemäß dieser Ausführungsform, betrachtet entlang der gemeinsamen Achse, zwischen der Ausgangsposition des Messobjektes und dem offenen Ende des Wegmesssensors angeordnet. Die Zusatzspule erstreckt sich bevorzugt in einem Bereich, der in Richtung der gemeinsamen Achse an die Ausgangsposition des Messobjektes angrenzt. Mit Hilfe der Zusatzspule kann ein zusätzliches Signal generiert werden. Vorteilhaft kann durch die Auswertung dieses zusätzlichen Signals festgestellt werden, ob sich das Messobjekt noch im gültigen Messbereich befindet oder ob es diesen verlassen hat.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Messobjekt innerhalb der Spulenanordnung angeordnet sein. Mit anderen Worten ist das Messobjekt in einem von dem Spulensystem umschlossenen Innenraum angeordnet. Diese Ausführungsform erlaubt eine kompakte Bauweise des Wegmesssensors. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Zusatzspule die Spulenanordnung umschließt. Diese Positionierung der Zusatzspule erlaubt eine einfache Integration der Zusatzspule in Spulenanordnungen bestehender Wegmesssensoren. Vorteilhaft sind bei einer solchen Anordnung lediglich geringfügige Anpassungen bei der Herstellung des Wegmesssensors notwendig.
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Bevorzugt handelt es sich bei den Messspulen und der Zusatzspule um Langspulen, z.B. um längliche Zylinderspulen. Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Spulenanordnung in einem Gehäuse gekapselt ist. Ein Wegmesssensor gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel weist nicht nur eine kompakte Bauform, sondern auch eine hohe Robustheit auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Zusatzspule so gekoppelt, dass sie im Leerlauf betrieben werden kann. Eine solche Kopplung der Zusatzspule kann beispielsweise unter Verwendung eines Instrumentalverstärkers mit hohem Eingangswiderstand realisiert werden. Durch die unmittelbare Nähe zwischen den Messspulen und der Zusatzspule ergibt sich eine grundsätzlich unerwünschte gegenseitige Beeinflussung. Um einer einseitigen Belastung der Messspule bzw. der Messspulen vorzubeugen, kann die Zusatzspule im Leerlauf betrieben werden.
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Ein weiterer vorteilhafter berührungslos arbeitender Wegmesssensor weist eine Spulenanordnung auf, welche eine in Reihe geschaltete erste und zweite Messspule umfasst. Der Spannungsabgriff befindet sich, betrachtet entlang der gemeinsamen Achse, zwischen den beiden Messspulen. Zumindest näherungsweise befindet sich der Spannungsabgriff an der Ausgangsposition des Messobjektes. Bei dem Wegmesssensor gemäß dem hier genannten Ausführungsbeispiel wirken die erste und zweite Messspule mit dem Messobjekt nach der Art einer Halbbrücke zusammen. Vorteilhaft kann auf diese Weise ein berührungslos arbeitender Wegmesssensor angegeben werden, welcher nach dem Differenzialdrosselprinzip arbeitet.
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Die Anzahl der notwendigen Komponenten eines Wegmesssensors kann, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, weiter reduziert werden, indem die Zusatzspule mit dem Spannungsabgriff gekoppelt wird. An einem Abgriff der Zusatzspule liegt folglich die Summe des Signals einer Messspule zuzüglich des von der Zusatzspule generierten Signals an. Dieses Summensignal wird bevorzugt unter Verwendung eines Operationverstärkers abgegriffen und, weiterhin bevorzugt, anschließend digital abgetastet. Die weitere Verarbeitung des Signals kann ebenfalls digital erfolgen.
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Ein weiterer vorteilhafter Wegmesssensor umfasst eine Spulenanordnung, welche eine erste bis dritte Spule aufweist. Die erste und dritte Spule wirken als Messspulen. Die in Richtung der gemeinsamen Achse zwischen der ersten und dritten Spule angeordnete zweite Spule wird bevorzugt mit einer Wechselspannung gespeist. Die erste und dritte Spule sind in Gegenrichtung gekoppelt, sodass die Spulenanordnung mit dem Messobjekt nach der Art eines Differenzialtransformators zusammenwirkt. Dabei wirken die erste und dritte Spule als Sekundärspule und die zweite Spule als Primärspule dieses Differenzialtransformators. Der Spannungsabgriff erfolgt bei dem Wegmesssensor gemäß dieser Ausführungsform differentiell, d.h. zwischen den freien Enden der gekoppelten ersten und dritten Spule. Vorteilhaft kann ein Wegmesssensor angegeben werden, welcher nach dem Differenzialtransformatorprinzip arbeitet.
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Im Vergleich zu einem nach dem Differenzialdrosselprinzip arbeitenden Wegmesssensor werden bei dem Wegmesssensor gemäß dem hier genannten Ausführungsbeispiel, welcher nach dem Differenzialtransformatorprinzip arbeitet, zwei Spannungsabgriffe anstatt eines Spannungsabgriffes verwendet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteschaltung des berührungslos arbeitenden Wegmesssensors dazu ausgelegt anhand eines an der Zusatzspule detektierbaren Signals festzustellen, ob das an dem Spannungsabgriff detektierte Signal gültig oder ungültig ist. Dies erfolgt bevorzugt mit einer Auswerteschaltung, welche dazu ausgelegt ist, aus der die Position des Messobjektes in Bezug auf seine Ausgangsposition angebenden Ausgangsgröße zunächst einen Grenzwert zu berechnen. In Abhängigkeit davon, ob dieser Grenzwert von dem an der Zusatzspule detektierbaren Signal über- oder unterschritten wird, wird von der Auswerteschaltung festgelegt, ob das an den Messspulen detektierte Signal gültig oder ungültig ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur berührungslosen Wegstreckenmessung bereitgestellt. Bei diesem Verfahren wird die Position eines elektrisch und/oder magnetisch leitenden Messobjektes bezüglich einer Spulenanordnung mit zumindest zwei entlang einer gemeinsamen Achse orientieren Messspulen bestimmt, indem ein eine Position des Messobjektes in Bezug auf dessen Ausgangsposition angebendes Messsignal an diesem Spannungsabgriff erfasst wird. Außerdem wird ein Signal an einer Zusatzspule erfasst, welche zumindest eine der beiden Messspulen wenigstens teilweise überlappt. Auf diese Art und Weise kann festgestellt werden, ob das an dem Spannungsabgriff detektierte Signal gültig oder ungültig ist.
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Bevorzugt wird bei einem solchen Verfahren, gemäß einer weiteren Ausführungsform, zunächst das Messsignal an dem Spannungsabgriff erfasst. Aus diesem Messsignal kann ein Grenzwert berechnet werden. Anhand eines Vergleiches zwischen dem Grenzwert und dem an der Zusatzspule erfassten Signal kann bestimmt werden, ob das an dem Spannungsabgriff detektierbare Signal gültig oder ungültig ist.
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Gleiche oder ähnliche Vorteile, wie sie bereits im Hinblick auf den berührungslos arbeitenden Wegmesssensor erwähnt wurden, treffen auch auf das Verfahren zur berührungslosen Wegstreckenmessung zu und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei zeigt:
- 1 eine vereinfachte Querschnittsansicht eines berührungslos arbeitenden Wegmesssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine weitere vereinfachte Querschnittsansicht eines berührungslos arbeitenden Wegmesssensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 3 ein vereinfachtes Schaltbild eines berührungslos arbeitenden Wegmesssensors mit einer angeschlossenen Auswerteschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel und
- 4 einen Graphen, der die an einer Messspule erfassten Größen ins Verhältnis zu den an einer Zusatzspule erfassten Messgrößen setzt, und eine Unterscheidung bzw. Verifikation der erfassten Messwerte in Bezug auf eine Grenzwertkurve darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines Wegmesssensors 2, der eine erste Messspule 4, eine zweite Messspule 6 und eine Zusatzspule 8 aufweist. Die Spulen 4, 6, 8 sind mechanisch durch einen Spulenkörper 10 gehalten, der ein beispielsweise mit einem Deckel 12 verschlossenes Ende und ein offenes Ende 14 aufweist. Bevorzugt ist der Spulenkörper 10 zylinderförmig. Entsprechend handelt es sich bei der ersten und zweiten Messspule 4, 6 sowie bei der Zusatzspule 8 bevorzugt um zylindrische Langspulen. Die erste und zweite Messspule 4, 6 sowie die Zusatzspule 8 sind entlang einer gemeinsamen Achse A orientiert. Bevorzugt fällt die Achse A mit den jeweiligen Achsen der einzelnen Spulen 4, 6, 8 zusammen. Im Innenraum 16, der aus der ersten und zweiten Messspule 4, 6 bestehenden Spulenanordnung befindet sich ein Messobjekt 18, welches bevorzugt elektrisch und/oder magnetisch leitfähig ist und in Wechselwirkung mit der Spulenanordnung sowie der Zusatzspule 8 tritt. Das Messobjekt 18 ist mit Hilfe einer Halterung 20 in dem Innenraum 16 gehalten. Über die Halterung 20 kann das Messobjekt 18 z.B. mit einem in 1 nicht dargestellten Taster zur Wegaufnahme gekoppelt sein. Bauartbedingt kann das Messobjekt 18 den Wegmesssensor 2 lediglich am offenen Ende 14 des Spulenkörpers 10 verlassen. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist das Messobjekt 18 nicht im Innenraum 16 der Spulenanordnung angeordnet, sondern umgreift das aus der ersten und zweiten Messspule 4, 6 sowie der Zusatzspule 8 bestehende Spulensystem an dessen Außenseite. Die Funktionsweise eines solchen Wegmesssensors 2 entspricht jedoch derjenigen eines Wegmesssensors 2, bei dem sich - wie in 1 dargestellt - das Messobjekt 18 in dem Innenraum 16 befindet. Aus diesem Grund wird lediglich beispielhaft im Folgenden auf einen Wegmesssensor 2 Bezug genommen, bei dem sich das Messobjekt 18 in einem von dem Spulensystem umschlossenen Innenraum 16 befindet.
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Der Wegmesssensor 2 gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel arbeitet nach dem Differenzialdrosselprinzip. Um die Position des Messobjektes 18, welches entlang der Achse A verschiebbar ist, zu detektieren, wird zunächst die aus erster und zweiter Messspule 4, 6 bestehende Spulenanordnung an den Klemmen S1 und S3 gespeist. An der Klemme S2, welche als Spannungsabgriff wirkt, wird das für die Wegmessung benötigte Signal abgegriffen. Die an dem Spannungsabgriff S2 zu messende Spannung ist vom Verhältnis der Induktivitäten der ersten und zweiten Messspule 4, 6 abhängig. Die erste und zweite Messspule 4, 6 stellen gemeinsam mit dem Messobjekt 18, elektrisch betrachtet, eine Wheatstone'sche Halbbrücke dar. Befindet sich das beispielhaft als Tauchanker ausgeführte Messobjekt 18 in seiner Ausgansposition, die in 1 gestrichelt dargestellt ist, so bewirkt das Messobjekt 18, dass die erste und zweite Messspule 4, 6 den gleichen Scheinwiderstand aufweisen und die Brückenschaltung abgeglichen ist. Wird das Messobjekt 18 aus seiner Ausgangspostion heraus bewegt (so wie in 1 mit durchgezogener Linie dargestellt), so ändern sich die Scheinwiderstände der ersten und zweiten Messspule 4, 6 gegensinnig und die am Spannungsabgriff S2 zu messende Spannung steigt oder fällt innerhalb eines gültigen Messbereiches bevorzugt proportional mit der Verschiebung des Messobjektes 18.
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Bauartbedingt lässt sich bei einem Wegmesssensor, welcher abweichend von dem in 1 gezeigten Wegmesssensor 2 lediglich eine erste und zweite Messspule 4, 6 und keine Zusatzspule 8 aufweist, der Zustand, in dem sich das Messobjekt 18 in seiner Ausgangsposition befindet (am Spannungsabgriff S2 ist in diesem Fall kein Signal detektierbar) nicht vom dem Fall unterscheiden, in dem das Messobjekt 18 den Wegmesssensor 2 bzw. den Spulenkörper 10 an seinem offenen Ende 14 verlassen hat. Vorteilhaft wird dieser bauartbedingte Nachteil bei dem Wegmesssensor 2 gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel überwunden. Dies geschieht durch Einsatz einer Zusatzspule 8, deren Signal an den Klemmen Z1 und Z2 abgegriffen werden kann. Die Zusatzspule 8 ist lediglich in einem kleinen Bereich des aus den Messspulen 4, 6 bestehenden Spulensystems angebracht. Vorteilhaft ist die Zusatzspule 8, betrachtet entlang der Achse A und in Bezug auf die Ausgangsposition des Messobjektes 18, unsymmetrisch in dem Messbereich des Wegmesssensors 2 angeordnet. Die Zusatzspule 8 beginnt in etwa in der Mitte des Messbereichs, nahe des Spannungsabgriffes S2, und erstreckt sich in Richtung des offenen Endes 14 des Spulenkörpers 10. Da der Spulenkörper 10 auf der gegenüberliegenden Seite durch einen Deckel 12 verschlossen ist, kann das Messobjekt 18 den Spulenkörper 10 an dieser Seite des Messbereiches nicht verlassen. Es ist also ausreichend, wenn eine Zusatzspule 8 in einem Bereich zwischen der Ausgangsposition des Messobjektes 18 bzw. dem Spannungsabgriff S2 und dem offenen Ende 14 des Spulenkörpers 10 angeordnet ist. Durch Auswertung des an den Klemmen Z1 und Z2 der Zusatzspule 8 anliegenden Signals ist eine eindeutige Erkennung der Position des Messobjektes 18 innerhalb der Spulenanordnung möglich. Mit anderen Worten kann das an dem Spannungsabgriff S2 detektierte Positionssignal anhand des an der Zusatzspule 8 abgegriffenen Signals verifiziert werden.
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Grundsätzlich können die Messspulen 4, 6 und die Zusatzspule 8 als getrennte aktive Sensoren betrieben werden. Durch ihre unmittelbare räumliche Nähe ergibt sich jedoch eine ungewollte gegenseitige Beeinflussung. Vorteilhaft wird daher die Zusatzspule 8 als Sekundärspule eines Transformators mit den Wicklungen der ersten und zweiten Messspule 4, 6 als Primärspule betrieben. Zur Vermeidung einer einseitigen Belastung der Wicklung der ersten und zweiten Messspule 4, 6 wird die Zusatzspule 8 vorteilhaft im Leerlauf betrieben, d.h. eine Auswertung der an den Klemmen Z1 und Z2 abgegriffenen Signale erfolgt über einen Instrumentalverstärker mit einem hohen Eingangswiderstand.
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Die erste und zweite Messspule 4, 6 wird mit Hilfe einer geeigneten Auswerteschaltung gespeist. Diese Auswerteschaltung dient ebenfalls zur Verarbeitung der an dem Spannungsabgriff S2 sowie an den Klemmen Z1 und Z2 der Zusatzspule 8 abgegriffenen Signale. Bevor eine solche Auswerteschaltung im Detail beschrieben werden soll, wird in 2 ein weiterer Wegmesssensor 2, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in vereinfachter Querschnittsansicht dargestellt und erläutert.
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Der in 2 dargestellte Wegmesssensor 2 umfasst eine erste Spule 22, die mit einer dritten Spule 24 gegensinnig gekoppelt ist. Die erste und dritte Spule 22, 24 wirken als Messspulen. Eine dritte Spule 26 befindet sich, betrachtet entlang einer gemeinsamen Achse A, zwischen der ersten und dritten Spule 22, 24. Die erste bis dritte Spule 22, 24, 26 sind auf einem gemeinsamen Spulenkörper 10 angeordnet und durch diesen gehalten. Entsprechend dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Spulenkörper 10 einseitig mit einem Deckel 12 verschlossen und weist auf seiner gegenüberliegenden Seite ein offenes Ende 14 auf. Der Spulenkörper 12 kann wiederum bevorzugt zylinderförmig sein. Entsprechend handelt es sich bei der ersten bis dritten Spule 22, 24, 26 ebenfalls bevorzugt um langgestreckte Zylinderspulen.
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Bei dem in 2 dargestellten Wegmesssensor 2 ist das Messobjekt 18 wiederum mit Hilfe einer Halterung 20 in dem Innenraum 16 gehalten und somit als Tauchanker ausgeführt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Messobjekt 18 jedoch nicht im Innenraum 16 angeordnet sein, sondern das Spulensystem, welches aus der ersten bis dritten Spule 22, 24, 26 sowie der Zusatzspule 8 besteht, an seiner Außenseite umschließen. In einem solchen Ausführungsbeispiel ist das Messobjekt als Ring ausgeführt, der das genannte Spulensystem umschließt. Lediglich beispielhaft werden die folgenden Erläuterungen anhand eines Wegmesssensors 2 vorgenommen, bei dem - wie in 2 dargestellt - sich das Messobjekt 18 in dem Innenraum 16 befindet. Die Funktionsweise eines Wegmesssensors 2, bei dem das bevorzugt ringförmig ausgestaltete Messobjekt 18 das Spulensystem an seiner Außenseite umschließt, entspricht der im Zusammenhang mit 2 erläuterten Funktionsweise.
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Der in 2 dargestellte Wegmesssensor 2 arbeitet nach dem Differenzialtransformatorprinzip. Bei einem solchen auch als LVDT-Sensor bezeichneten Wegmesssensor 2 sind die erste und dritte Spule 22, 24 über ein bevorzugt ferromagnetisches Messobjekt 18 gemäß dem Prinzip eines Transformators gekoppelt. Dabei wirken die erste und dritten Spule 22, 24 als Sekundärspule und die zweite Spule 26 als Primärspule eines solchen Transformators. Die zweite Spule 26 wird bevorzugt über die Klemmen S1 und S3 mit Wechselspannung gespeist. In der Ausgangsposition des Messobjektes 18, welche in 2 gestrichelt dargestellt ist, wird in der ersten und dritten Spule 22, 24 eine zu der eingespeisten Spannung phasenverschobene Spannung induziert. Durch die gegensinnige Verschaltung der ersten und dritten Spule 22, 24, welche als Messspulen arbeiten, ist das an den Spannungsabgriffen S 21, S 22 detektierbaren Signal identisch Null, wenn sich das Messobjekt 18 in seiner Mittelstellung befindet. Verändert sich die Position des Messobjektes 18, welches z.B. als Tauchanker ausgestaltet sein kann, so verändert sich die an den Spannungsabgriffen S 21, S 22 detektierbare Spannung bevorzugt proportional zu dem von dem Messobjekt 18 zurückgelegten Weg.
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Auch bei dem in 2 gezeigten Wegmesssensor 2 ist das an den Spannungsabgriffen S21, S22 detektierbare Signal, in dem Fall, dass sich das Messobjekt 18 in seiner Mittelstellung befindet, identisch Null ist und somit nicht von dem Fall zu unterscheiden, in dem das Messobjekt 18 die Spulenanordnung, d.h. den Spulenkörper 10, an seinem offenen Ende 14 verlassen hat. Um diese beiden Fälle unterscheiden zu können, weist der in 2 dargestellte Wegmesssensor 2 eine Zusatzspule 8 auf. Die Zusatzspule 8 ist, betrachtet bezüglich der Ausgangsposition des Messobjektes 18, in einem Bereich der Spulenanordnung angeordnet, welche sich in Richtung des offenen Endes 14 des Spulenkörpers 10 erstreckt. Befindet sich das Messobjekt 18 (so wie beispielhaft in 2 mit durchgezogener Linie dargestellt) in einer Position außerhalb seiner Ausgangsposition und in einem solchen Bereich des Messbereiches, welcher sich an das offene Ende 14 des Spulenkörpers 10 anschließt, so wird in der Zusatzspule 8 ein durch das Messobjekt 18 bedingtes Signal gemessen. Da das Messobjekt 18 den Spulenkörper 10 an der gegenüberliegenden Seite des Spulenkörpers 10 nicht verlassen kann, kann anhand des an den Klemmen Z1 und Z2 der Zusatzspule 8 abgegriffenen Signals stets festgestellt werden, ob das an dem Spannungsabgriff S21, S22 abgegriffene Signal gültig oder ungültig ist.
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Die in den 1 und 2 beispielhaft dargestellten, berührungslos arbeitenden Wegmesssensoren 2 umfassen außerdem eine (in den Figuren nicht gezeigte) Auswerteschaltung zur Auswertung der an den Klemmen bzw. an dem Spannungsabgriff gespeisten bzw. detektierten Signale.
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3 zeigt einen berührungslos arbeitenden Wegmesssensor 2, welcher aus einem bereits aus 1 bekannten Wegaufnehmer 28 und einer daran angeschlossen Auswerteschaltung 30 besteht. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die erste Klemme Z1 der Zusatzspule 8 und der Spannungsabgriff S2 gekoppelt. An der Klemme Z2 der Zusatzspule 8 liegt folglich die Summe aus dem an dem Spannungsabgriff S2 anliegenden Messsignal und dem in der Zusatzspule 8 induzierten Signal an.
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Die erste und zweite Messspule 4, 6 werden über die Klemmen S1 und S3 gespeist. Zu diesem Zweck wird ein geeigneter Verstärker 32 mit dem Takt eines Taktgebers 34 gespeist. Der Taktgeber 34 ist bevorzugt ein Teil einer Verarbeitungseinheit 36, z.B. eines Rechners oder Mikrocontrollers, der wiederum ein Teil der Auswerteschaltung 30 sein kann. An dem Spannungsabgriff S2 wird das Signal des aus der ersten und zweiten Messspule 4, 6 bestehenden Spulensystems, welches die Position des Messobjektes 18 innerhalb des Messbereiches angibt, abgegriffen. Dieses Signal wird mit Hilfe eines geeigneten Eingangsverstärkers 34, z.B. eines Operationsverstärkers, erfasst und innerhalb der Verarbeitungseinheit 36 zunächst mit Hilfe eines A/D-Wandlers 38 digital abgetastet und anschließend weiter verarbeitet. Die weitere Verarbeitung des von dem A/D-Wandler 38 ausgegebenen Signals erfolgt bevorzugt digital.
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Das an der Klemme Z2 abgegriffene Signal der Zusatzspule 8 wird ebenfalls mit Hilfe eines Eingangsverstärkers 35 verstärkt und anschließend mit Hilfe eines weiteren in der Verarbeitungseinheit 36 vorhandenen A/D-Wandlers 38 abgetastet und digitalisiert. In der Verarbeitungseinheit 36 liegen entsprechend ein digitales Wegsignal DW und ein digitales Signal der Zusatzspule 8, welches als digitales Targeterkennungssignal DTE bezeichnet werden soll, vor. Das digitale Wegsignal DW wird in einer Positionseinheit 40 zu einem die Position des Messobjektes 18 angebenden Signal verarbeitet. Dieses Signal kann von dem Wegmesssensor 2 bereitgestellt werden und innerhalb einer komplexen Anlage zur Steuerung und Regelung verwendet werden.
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Außerdem werden das digitale Wegsignal DW und das digitale Targeterkennungssignal DTE in eine Targeterkennungseinheit 42 eingespeist. In der Targeterkennungseinheit 42 wird das an der Zusatzspule 8 bzw. der Klemme Z2 abgegriffene Signal verarbeitet, wobei anhand des Targeterkennungssignals DTE entschieden werden kann, ob das in der Positionseinheit 40 vorliegende Wegsignal DW gültig oder ungültig ist.
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Eine beispielhafte Möglichkeit, ein solches Entscheidungskriterium zu implementieren, wird anhand von 4 erläutert. In 4 ist ein an der Zusatzspule 8, genauer an der Klemme Z2, abgegriffenes Signal und ein in ein Wegsignal umgewandeltes Signal SZ der Zusatzspule 8 in Abhängigkeit von dem an dem Spulensystem (bestehend aus erster und zweiter Messspule 4, 6) abgegriffenen Signal SM dargestellt. Außerdem zeigt 4 eine in Abhängigkeit vom Messwert des Spulensystems SM aufgetragene Grenzwertkurve 44. Liegt der Messwert der Zusatzspule SZ, welcher auf der Kurve 46 liegt, oberhalb der Grenzwertkurve 44, so befindet sich das Messobjekt 18 innerhalb des gültigen Messbereichs. Abhängig von der Beschaltung der Elektronik und der Verschaltung der Spulen können sich die Vorzeichen der Signale verändern, der prinzipielle Verlauf der in 4 gezeigten Messwerte bleibt jedoch stets gleich.
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Im einfachsten Fall wird die Grenzwertkurve 44 als eine Funktion erster Ordnung, d.h. einer Geradengleichung, bestimmt. Vorteilhaft kann jedoch eine Funktion höherer Ordnung, z.B. zweiter Ordnung, verwendet werden, um eine Mehrdeutigkeit in der Zuordnung zwischen den Messwerten SM der Messspulen 4, 6 und den Messwerten SZ der Zusatzspule 8 zu vermeiden. Eine solche Grenzwertkurve 44 höherer Ordnung schneidet die Messwertkurve 46, so wie in 4 dargestellt, beispielsweise in ihrem Scheitelpunkt. Der Schnittpunkt zwischen der Grenzwertkurve 44 und der Messwertkurve 46 beschreibt die Grenze des gültigen Messbereiches.
