DE102013226887A1

DE102013226887A1 - Induktive Sensoranordnung sowie Verfahren zur Detektion der Position wenigstens eines Targets

Info

Publication number: DE102013226887A1
Application number: DE102013226887.4A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Eine induktive Sensoranordnung weist zur Detektion der Position wenigstens eines Targets ein Sende/Empfangsspulensystem mit einem Detektionsbereich auf, das aus wenigstens zwei Spulen aufgebaut ist und das so beschaltet ist, dass am Ausgang des Sende-/ Empfangsspulensystems ohne Metalleinfluss im Detektionsbereich das Ausgangssignal ein Nullsignal ist und bei einem Target (1.2) im Detektionsbereich (10) ein Signal ungleich Null ist, das eine bestimmte Amplitude und Phase aufweist. Mittels eines geschlossenen Regelkreis wird das Signal ungleich Null im Empfangspfad (1.7) auch bei Vorhandensein des Targets (1.2) im Detektionsbereich (10) zur Erzielung eines ausgeregelten Zustands zu Null ausregelt. Dem dazu verwendeten Regelsignal (1.6) ist eine Abweichung (Δx, Δy) des Regelsignals vom ausgeregelten Zustand als Abstandsinformation zur Detektion der Position des Targets (1.2) immanent. Dadurch, dass das Target eine sich entlang einer Messrichtung (m) veränderliche Form oder Zusammensetzung aufweist und dass bei einer Vierquadrantendarstellung der Abweichung (Δx) und der Abweichung (Δy) des Regelsignals der Winkel eines gedachten Vektors (2.6) zur x-Achse eines x-, y-Koordinatensystems, der vom Ursprung (2.7) des x-, y-Koordinatensystems, der dem ausgeregelten Zustand des Sende-/Empfangsspulensystems (1.1) entspricht, zu einem Messpunkt (2.5) führt, ein Maß für die Bewegung des Targets (1.2) in Messrichtung (m) ist und/oder der Betrag des gedachten Vektors (2.6) ein Maß für den Abstand des Targets (1.2) vom Sende-/Empfangsspulensystems (1.1) normal zur Messrichtung (m) ist, werden eine Sensoranordnung und ein Verfahren geschaffen, bei dem eindeutig auf den Abstand eines Targets getrennt von einer Parallelverschiebung des Targets, die Legierung und/oder die Form des Targets geschlossen werden kann.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine induktive Sensoranordnung sowie ein Verfahren zur Detektion wenigstens eines Targets nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9.
Stand der Technik
Aus der dem Oberbegriff des Anspruches 1 zugrunde liegenden WO 2012/104086 A1 ist ein Verfahren zur Ortung metallischer oder Metall enthaltender Objekte und Materialien bekannt, bei dem Ströme in mindestens zwei Sendespulen so zueinander geregelt werden, dass ein von wenigstens einer Empfangsspule empfangenes Empfangssignal oder Durchschnittswerte von aus dem Empfangssignal generierten Demodulationsphasen zueinander kontinuierlich auch bei Metalleinfluss zu Null geregelt werden. Dabei werden die Regelwerte wenigstens bei 0° und bei 90° als Werte erfasst und so miteinander verrechnet, dass eine exakte Analyse der im Detektionsbereich befindlichen metallischen Gegenstände erreicht wird. Mit diesem Verfahren kann ein metallischer Gegenstand zwar analysiert werden, jedoch können Bewegungen des Gegenstands nicht eindeutig in eine bestimmte Messrichtung erkannt werden.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2012 001 202 A1 beschreibt einen Sensor mit einer Spulenanordnung, bei der die normalerweise kreisförmigen Windungen einer Spule in Mäanderform ausgebildet sind. Zwei sendende Spulen und eine Empfangsspule wirken miteinander in der Art, dass das empfangene Signal zu Null wird. Dabei ist vorzugsweise oberhalb und unterhalb der Empfangsspule je eine Sendespule angeordnet. Diese haben zur Empfangsspule hin leicht unterschiedliche Rotationswinkel, so dass über die Verteilung der Sendeströme das Signal in der Empfangsspule zu Null geregelt werden kann.
Aufgabe der Erfindung
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung und ein Verfahren zu schaffen, bei denen eindeutig auf die Bewegung/Position eines Targets in Messrichtung getrennt von einer Bewegung des Targets quer zur Messrichtung geschlossen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine induktive Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren zur Detektion der Position eines Targets mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst.
Im Wesentlichen liegt der Erfindung dabei die Erkenntnis zugrunde, dass in dem im Empfangspfad ermittelten Signal gleichzeitig Informationen über die Form und/oder Legierung des Targets bzw. Größe der Fläche des Targets im Detektionsbereich des Spulensystems enthalten ist. Bewegung oder Position des Targets sind dabei durch die Formänderung und/oder Legierungsänderung unabhängig vom Abstand des Targets zum Spulensystem bestimmbar. Wird diese Information anspruchsgemäß aufbereitet, lassen sich dadurch die gewünschten weiteren Informationen differenziert entnehmen. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, erfolgt eine kontinuierliche Regelung des Signals im Empfangspfad in einem geschlossenen Regelkreis, sodass das Empfangssignal immer zu „Null“ geregelt wird. Damit führt ein Target im Detektionsbereich des Sende-/Empfangsspulen-systems grundsätzlich zu einer Änderung der Regelsignale. Dem Regelsignal ist damit also eine Abweichung vom ausgeregelten Zustand als Information zur Detektion der Position des Targets immanent. Wird nun ein Target verwendet, das eine sich entlang einer Messrichtung veränderliche Form oder Zusammensetzung aufweist, und zudem nach entsprechender Verrechnung der Regelgrößen deren Abweichung, ausgehend von einem ausgeregelten Ausgangszustand, in einer Vierquadrantendarstellung aufgetragen, lässt sich erfindungsgemäß feststellen, dass der Winkel eines gedachten Vektors zur horizontalen Achse des Koordinatensystems, wobei der Vektor vom Ursprung des Koordinatensystems, der dem ausgeregelten Zustand entspricht, zu einem Messpunkt infolge eines Targets im Detektionsbereich führt, ein Maß für die Bewegung des Targets in Messrichtung ist, während der Betrag des gedachten Vektors ein Maß für den Abstand des Targets normal zur Messrichtung ist. Damit kann auf die Position des Targets entlang der Messrichtung getrennt vom Abstand des Targets normal zur Messrichtung oder je nach Target auf die Legierung und die Form des Targets geschlossen werden.
Dies hat den Vorteil, dass zum Beispiel bei rotierenden Wellen und anderen Rotationskörpern mit einer konischen, rotationssymmetrischen Form eine Bewegung entlang der Rotationsachse gesondert von quer zu dieser Rotationsachse erfolgenden Bewegungen erfasst werden kann. Damit lassen sich Abstände und Toleranzen aus dem Messergebnis ausblenden, so lange sich das Target im Detektionsbereich des Sende-/Empfangsspulensystems befindet.
Als Messrichtung kommen vorzugsweise sämtliche Richtungen von Koordinatenmesssystemen in Betracht. Das Target kann dazu kreisbogenförmig oder auch rotationssymmetrisch kegelförmig aufgebaut sein und/oder an den Oberflächen eines Körpers angebracht werden, dessen Bewegung erfasst werden soll. Grundsätzlich ist jede beliebige Form oder Zusammensetzung verwendbar, solange eine Änderung des Targets in Messrichtung eine Wirkung auf ein Spulensystem ausübt.
Bei Rotationskörpern besteht zudem die Möglichkeit, entweder mit mehreren Targets, die hinsichtlich Ihrer Winkellage am Rotationskörper versetzt aufgebracht sind, oder mit mehreren Sende-/Empfangsspulensystemen, die einem Target zugeordnet sind und geschaltet werden, eine Beobachtung des Rotationskörpers im gesamten Winkelbereich vorzunehmen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Kurzbeschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild der Systemkomponenten,
2 ein Ablaufdiagramm für die Vorgehensweise bei der Messwertauswertung,
3 eine dreidimensionale Seitenansicht eines Targets mit zugeordnetem Sende-/Empfangsspulensystem,
4a, 4b eine Draufsicht auf die Darstellung gemäß 3 bei Verschiebung des Targets entlang der n-Achse und bei Verschiebung des Targets entlang der Messachse m,
5, 6 eine Vierquadrantendarstellung der Abweichungen der Regelsignale,
7, 8 Draufsicht und Seitenansicht auf Target und Sende-/Empfangsspulenanordnung bei einem rotierenden Target,
9a, 9b Darstellungen gemäß 7 in einem Ausführungsbeispiel mit zwei Sende-/Empfangsspulensystemen,
10 Signalverläufe der beiden Sende-/Empfangsspulensysteme gemäß 9a, 9b,
11, 12 verschiedene Ausführungsformen der Sensoranordnung zur Erfassung der Rotation einer Welle,
13 eine schematische Schaltung eines Sende-/Empfangsspulensystems mit getaktet betriebener Sendespule und Empfangsspule,
14a, 14b schematische Schaltungen alternative Sende-/Empfangsspulensysteme.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
Der grundsätzliche Aufbau der induktiven Sensoranordnung ist in dem Blockschaltbild gemäß 1 dargestellt. Dieser Grundaufbau entspricht im Wesentlichen dem Aufbau, wie er aus der WO 2012/104 086 A1 bekannt ist.
Zur induktiven Detektion der Position wenigstens eines Targets 1.2, das in den 3 bis 9b, 11, 12 dargestellt ist, ist wenigstens ein Sende-/Empfangsspulensystem 1.1 vorgesehen. Das Sende-/Empfangsspulensystem 1.1 bildet einen Detektionsbereich 10 aus, wie er in 3 dargestellt ist. Ein Sendetreiber 1.3 speist ein periodisches Sendesignal 1.4 vorzugsweise mit einer Sendefrequenz von z.B. 200 kHz in die Sendespule des Sende-/Empfangsspulensystems 1.1 ein. Das Sendesignal zum Sende-/Empfangsspulensystem kann z.B. ein Reckeck- oder Sinussignal sein. Das Sende-/Empfangsspulensystem ist geometrisch so geformt und/oder so kalibriert, dass das vom Sendesignal 1.4 ausgehende Empfangssignal ohne Target im Detektionsbereich Null ist. Im Ausführungsbeispiel der 1 bewirkt ein Target im Detektionsbereich 10 eine induktive Wirkung eines Signals ungleich Null im Empfangspfad 1.7 des Sende-/Empfangsspulensystems 1.1, wobei dieses Signal eine bestimmte Amplitude und Phase aufweist.
Der Aufbau von Sende- und Empfangsspule kann z.B. wie in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2012 001 202 A1 sein. Im Wesentlichen sind dabei die normalerweise kreisförmigen Windungen einer Spule so in Mäanderform ausgebildet, dass das empfangene Signal zu Null wird. Dabei ist die Sendespule zur Empfangsspule hin leicht im Rotationswinkel versetzt, so dass über die Verteilung der Sendeströme das Signal in der Empfangsspule zu Null geregelt werden kann. Dieses Spulensystem besteht somit aus mindestens zwei unabhängigen Spulenteilen. Auf die konkrete Schaltung der Sende-/Empfangsspulensysteme wird unten im Zusammenhang mit den 13, 14a und 14b nochmals eingegangen.
Hinsichtlich Amplitude und Phase als auch hinsichtlich des konkreten Aufbaus der Sende/Empfangsspulensystems mit Sendespule und Empfangsspule wird auf die Erläuterung in der WO 2012/104 086 A1 verwiesen. Zusammengefasst ergibt sich daraus, dass das Sendesignal 1.4 durch den Sendetakt periodisch getaktet wird, sodass ein Target 1.2 im Detektionsbereich 10 eine Amplitude und Phase bewirkt, die durch Demodulation 1.8 bei 0° (und 180°) bzw. bei 90° (und 270°) bestimmt werden kann. In der Demodulation werden die Amplitudenanteile im Ausführungsbeispiel den beiden Taktphasen des Sendetakts zugeordnet. Dabei ist es nicht wichtig, wo genau die Demodulationsphasen sich zum Sendetakt befinden. sondern nur dass die Demodulationsphasen um 90° zueinander versetzt sind. Diese aus den Demodulationsphasen gewonnenen DC-Signale werden zum Beispiel mithilfe eines Analog-Digitalwandlers 1.9 gemessen und an den Mikrocontroller 1.10 übermittelt. Der Mikrocontroller 1.10 steuert den Regelungstreiber 1.5 im geschlossenen Regelkreis so an, dass im Empfangspfad 1.7 ein Regelsignal 1.6 so eingespeist wird, dass das Signal im Empfangspfad 1.7 Null ist. Das Signal im Empfangspfad 1.7 kann vor der Demodulation noch nahezu beliebig verstärkt werden, da grundsätzlich nur die Abweichung zum ausgeregelten Zustand im Signal vorhanden ist.
Die Signalaufbereitung und Interpretation der Messwerte sowie die Regelung wird durch den Mikrocontroller 1.10 umgesetzt. Sendetreiber 1.3, Regelungstreiber 1.5, Demodulation 1.8 und Analog-Digitalwandler 1.9 können extern aufgebaut sein oder mit einem geeigneten Mikrocontroller mit entsprechender Peripherie intern im Mikrocontroller realisiert sein. Die Komponenten, die in dem gestrichelten Rahmen in 1 dargestellt sind, können insofern Bestandteil des Mikrocontrollers sein.
Der Regelungstreiber 1.5 sorgt mit seinem Regelsignal 1.6 grundsätzlich dafür, dass ein Signal ungleich Null, das im Empfangspfad zum Beispiel durch ein Target 1.2 ausgelöst wird, zu Null ausgeregelt wird. Das Regelsignal bildet demnach in seiner Phase und Amplitude exakt die elektromagnetische Wirkung des Targets 1.2 auf das Sende-/Empfangsspulensystem ab. Dem Regelsignal 1.6 ist dabei eine Abweichung Δx, Δy vom ausgeregelten Zustand als Information zur Detektion der Position des Targets immanent. Diese Information kann noch entsprechend ausgewertet werden.
Gemäß 3 und 4a, 4b wird dazu als Messgröße, die auf die induktive Signatur wirkt, also darauf wie sich die Abweichungen Δx und Δy zum Beispiel in einer Vierquadrantendarstellung darstellen, eine sich entlang einer Messrichtung m veränderliche Form eines Targets 1.2 verwendet. In 3, 4a, 4b handelt es sich dabei um ein sich in einer oder gegen eine bestimmten Messrichtung m verjüngendes Target 1.2. Anstelle der Verjüngung des Targets sind auch andere Formen und inhomogene Legierungen oder Materialkombinationen denkbar, die sich auf die induktive Signatur auswirken. Zum Beispiel kann das Target auch stufenweise seine Form in Messrichtung m ändern. Denkbar ist ebenso, dass sich die Zusammensetzung des Targets 1.2 entlang der Messrichtung m ändert, indem zum Beispiel eine inhomogene Legierung verwendet wird. Wesentlich ist lediglich, dass wie im Ausführungsbeispiel der 1 das aus wenigstens zwei Spulen aufgebaute Sende/Empfangsspulen-system 1.1 einen Detektionsbereich 10 aufweist und so beschaltet ist, dass am Ausgang des Sende-/Empfangsspulensystems 1.1 ohne Metalleinfluss im Detektionsbereich das Ausgangssignal ein Nullsignal ist. Befindet sich im Detektionsbereich 10 ein Target 1.2 ist das Ausgangssignal ein Signal ungleich Null, das eine bestimmte Amplitude und Phase aufweist. In einem geschlossenen Regelkreis wird dieses Signal ungleich Null mittels eines Regelsignals 1.6 auch bei Vorhandensein des Targets 1.2 im Detektionsbereich 10 zur Erzielung eines ausgeregelten Zustands zu Null ausgeregelt. Dabei ist dem Regelsignal 1.6 eine Abweichung Δx, Δy des Regelsignals vom ausgeregelten Zustand als Abstandsinformation zur Detektion der Position des Targets 1.2 immanent. Diese Abweichungen Δx, Δy des Regelsignals werden in einem x-, y-Koordinatensystem in einer Vierquadrantendarstellung aufgetragen, wobei der Ursprung 2.7 des x-, y-Koordinatensystems dem ausgeregelten Zustand des Sende-/Empfangsspulensystems 1.1 entspricht, in dem die Regelsignale Null sind bzw. zu Null kalibriert sind. Die Änderung im Regelsignal, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird, führt dazu, dass in der Vierquadrantendarstellung der Abweichung Δx und der Abweichung Δy des Regelsignals der Winkel eines gedachten Vektors 2.6 zur x-Achse des x-, y-Koordinatensystems, welcher Vektor vom Ursprung 2.7 zu einem Messpunkt 2.5 führt, ein Maß für die Bewegung des Targets 1.2 in Messrichtung m ist. Ferner ist der Betrag des gedachten Vektors 2.6 ein Maß für den Abstand des Targets 1.2 normal zur Messrichtung m.
Bevor hierauf näher eingegangen wird, wird zunächst der Verfahrensablauf anhand des Ablaufdiagramms gemäß 2 erläutert. Nach dem Start des Systems in Schritt 100 erfolgt zunächst eine Kalibrierung und gegebenenfalls Kompensierung gemäß Schritt 101. Dazu werden zunächst in Schritt 102 die Werte des Analog-Digitalwandlers 1.9 eingelesen. Abhängig von den gemessenen Werten wird in Schritt 103 überprüft, ob eine Kompensation erforderlich ist. Der Mikrocontroller 1.10 gibt insofern für den Regelungstreiber 1.5 in Schritt 104 Werte vor, um eventuelle Toleranzen des Systems auszugleichen. Dieser Vorgang wird für beide Phasen des Sendetakts so lange durchgeführt, bis die Werte der AD-Wandlung einen vorgegebenen Wert, zum Beispiel die Mitte des AD-Wandlerdynamikbereichs erreichen. In der Regel dauert dieser Vorgang nur wenige Millisekunden. Danach sind die Toleranzen des Spulensystems und eventuelle Umgebungseinflüsse kompensiert. Ergibt sich dann in Schritt 105, dass eine Kalibrierung erforderlich ist, werden in Schritt 106 die gemessenen Werte der AD-Wandlung gespeichert und dienen fortan als kalibrierter Nullpunkt des Systems.
Jetzt beginnt die eigentliche Messung, das heißt, es wird die Einwirkung des Targets 1.2 auf das induktive System gemessen. Diese Einwirkung führt zur Abweichung Δx und Δy vom kalibrierten Nullpunkt gemäß Schritt 108. Aus diesen Abweichungen lässt sich die induktive Signatur ermitteln, das heißt ein Maß für die Position bzw. Bewegung des Targets 1.2 in Messrichtung m gemäß Schritt 109 sowie ein Maß für den Abstand des Targets 1.2 vom ausgeregelten Zustand normal zur Messrichtung m gemäß Schritt 110. Diese Werte können in einem Look up Table, einer Wertetabelle gemäß Schritt 111 kreuzreferenziert werden, um zum Beispiel die Legierung des Materials zu bestimmen. Sie dienen aber auch zur Bestimmung von Position, Form und Abstand des Targets 1.2 in den Messrichtungen. Die so ermittelten Werte können dann angezeigt werden gemäß Schritt 112. Das Verfahren läuft kontinuierlich, das heißt nach Schritt 112 springt das System zu Schritt 102. Diese kontinuierliche Regelung endet erst bei Außerbetriebnahme des Systems.
Zurück in 3 wird ein Aufbau mit einem keilförmigen, sich verjüngenden Target und einem Sende-/Empfangsspulensystem 1.1 gezeigt. Das Koordinatensystem m, n, n wird für diese Anmeldung so verwendet, dass ausgehend vom Sende-/ Empfangsspulensystem 1.1 die m-Achse eine Positionsänderung zu diesem System entlang einer Messachse definiert, während eine Positionsänderung entlang einer der n-Achsen eine zu dieser Messachse normal verlaufende Positionsänderung eines Targets ist. Eine Bewegung entlang einer der n-Achsen verändert also den Abstand des Targets 1.2 zum Sende-/Empfangsspulensystem. Die beiden n-Achsen stehen insofern normal zur m-Achse. 3 zeigt eine dreidimensionale Seitenansicht auf ein derartiges System, 4a, 4b eine Draufsicht. Eine Bewegung des Targets 1.2 in die gestrichelte Darstellung in 4a ist insofern eine Bewegung entlang der n-Achse und zeigt z.B. eine gegenüber dem Sende-/Empfangsspulensystem 1.1. eine Verschiebung quer zur m-Achse. Eine Bewegung gemäß 4b ist hingegen eine Bewegung in Richtung der m-Achse, die vorzugsweise die Messrichtung ist.
Das Target 1.2 ist in den Figuren nur schematisch dargestellt. Innerhalb bestimmter Grenzen ist das Messsystem für Messungen entlang der Messrichtung, der m-Achse, unabhängig gegenüber Toleranzen auf der n-Achse. Wird statt eines keilförmigen ein rotationssymmetrisches, kegelförmiges Target verwendet, ist das System außerdem vollkommen unempfindlich gegenüber Rotationsabweichungen um die m-Achse, während gleichwohl Änderungen entlang der m-Achse gemessen werden können.
Dies wird deutlich an Hand der 5 und 6, die die Darstellung der Signale in einer Vierquadrantendarstellung zeigen. Die Messwertkurven 2.1 bis 2.4 ergeben sich durch ein Durchfahren eines keilförmigen Targets durch den Detektionsbereich 10 entlang der m-Achse bei vier verschiedenen Abständen zur m-Achse. Es ist erkennbar, dass mit kleiner werdendem Abstand sich die Kurve von der Position gemäß Messwertkurve 2.1 bis zur Messwertkurve 2.4 vom Ursprung 2.7 entfernt. Die Kurve 2.1 zeigt also den Signalverlauf bei großem Abstand des Targets zum Sensor, die Kurve 2.4 den Signalverlauf bei geringem Abstand des Targets zum Sensor. Gleichzeitig ist zu erkennen, dass die Kurven dabei skaliert werden. Bei einer Verschiebung des Targets 1.2 in Messrichtung m ohne Verschiebung in einer Richtung normal zur Messrichtung m wie zum Beispiel in Richtung der n-Achse verändert sich die Richtung eines gedachten Vektors 2.6 bzw. der Winkel zwischen der x-Achse und einem gedachten Vektor 2.6 vom Ursprung 2.7 zum Messpunkt 2.5. Somit stellt die Richtung des Vektors ausschließlich ein Maß für die Bewegung des Targets 1.2 in Messrichtung m dar. In der Praxis bedeutet dies z.B. dass ein Target mit einer Länge von ca. 50 mm und einer Verjüngung von 7 mm auf 2 mm eine Winkelveränderung des Vektors zur x-Achse von 21,5°auf 46,2° auslöst.
Bei einer Bewegung normal zur Messrichtung m und damit in n-Richtung ohne Verschiebung entlang der m-Achse verändert sich der Betrag des gedachten Vektors 2.6 vom Ursprung 2.7 zum Messpunkt 2.5. Der Betrag des Vektors beschreibt dabei den Abstand des Targets zum Spulensystem. Die Richtung des Vektors, die die induktive Signatur beschreibt, bleibt jedoch gleich. Damit präsentiert der Betrag des Vektors ausschließlich die Position des Targets, d.h. den Abstand des Targets zum Spulensystem.
Der in 5 gezeigte Signalverlauf ist nur beispielhaft. Bei Targets unterschiedlicher Materialen oder Formen können Signale auch in anderen Quadranten bzw. mit anderen targetspezifischen Signalverläufen entstehen. So zeigt zum Beispiel 6 eine Darstellung im dritten Quadranten.
Um aus diesen Darstellungen nun Position und Abstand des Targets 1.2 zum Spulensystem zu bestimmen, werden die gemäß 2 ermittelten Abweichungen Δx, Δy des Regelsignals dahingehend interpretiert, dass in Schritt 108 sich der Betrag des Vektors B_v aus dem quadratischen Mittelwert der Abweichungen zum kalibrierten Nullpunkt ergibt, das heißt zu:
Dieser Betrag des Wertes entspricht dem Abstand des Targets 1.2 zum Spulensystem. Die Position des Targets entlang der m-Achse ergibt sich aus der Richtung des gedachten Vektors 2.6 zu:
S_i steht für induktive Signatur und entspricht der Position entlang der-m-Achse. Die Werte B_v und s_i können als Zahlenwerte für weitere Anwendungen verwendet werden. Durch spezielle für die entsprechende Applikation erstellte Algorithmen bzw. eine dafür erstellte Wertetabelle, in der Normwerte von Amplitude und induktiver Signatur gespeichert sind, kann je nach Applikation auf verschiedene Messgrößen gemäß Schritt 111 geschlossen werden. Mögliche Messgrößen sind beispielsweise:

– Position eines Targets entlang der m-Achse und Abstand zur m-Achse
– Legierung und Abstand eines Targets
– Form und Abstand eines Targets

Die erste Messgröße (S_i) ist durch die Richtung des gedachten Vektors 2.6 bzw. dessen Winkel zur x-Achse und die zweite Messgröße (B_v) durch den Betrag dieses Vektors bestimmt.
Der in 3 dargestellte Aufbau kann auch als rotierendes System gemäß den 7 und 8 umgesetzt werden. Dabei wird ein sich verjüngendes kreisbogenförmiges Target 1.2 über dem Spulensystem 1.1 um eine Rotationsachse 3.3 rotiert. Innerhalb bestimmter Grenzen ist dieses Messsystem wiederrum unabhängig gegenüber Verschiebungstoleranzen, die parallel und/oder normal zur Rotationsachse 3.3 auftreten.
Um Rotationen um 360° in einem solchen Fall lückenlos detektieren zu können, kann das Target 1.2 gemäß 9a, 9b aufgebaut werden. Dabei schließt das verjüngte Ende des Targets an das andere Ende des Targets an. Dazu können z.B. mindestens zwei Sende-/Empfangsspulensysteme 1.1 benutzt werden, damit Signalsprünge, die sich am Übergang von Anfang zu Ende des Targets 1.2 ergeben, keine Fehlinterpretationen produzieren können. Die Signale, die beim Messen mit zwei Sende-/Empfangsspulensystemen an unterschiedliche Rotationswinkelpositionen des Targets 1.2 entstehen, sind in 10 schematisch dargestellt. Ein erstes Sende-/Empfangsspulensystem erzeugt einen ersten Signalverlauf 5.1 und eines zweites Sende-/Empfangsspulensystem einen zweiten Signalverlauf 5.2. Bei der Messung kann beim Erreichen eines Umschaltpunktes 5.3 zwischen der Auswertung des ersten und des zweiten Signalverlaufs umgeschaltet werden, um Fehlinterpretationen an den Sprungstellen 5.4 der Signale zu vermeiden. In 9a, 9b sind die zwei Sende-/Empfangsspulensysteme 1.1 hinsichtlich der Rotationsachse 3.3 einander gegenüberliegend angeordnet.
Die gesamte Anordnung und das Verfahren können auch zur Messung der Rotation eines Rotationskörpers 4.1 wie einer Welle verwendet werden. 11 zeigt einen derartigen Aufbau, um die Rotation einer Welle zu messen. Innerhalb bestimmter Grenzen ist auch dieses System unabhängig gegenüber Verschiebungstoleranzen, die parallel und/oder rechtwinklig zur Rotationsachse a-a des Rotationskörpers auftreten, da auch hier die Bewegung in Messrichtung m gesondert von einer Bewegung normal zur Messrichtung n erfasst werden kann.
Um Rotationen um 360° lückenlos detektieren zu können, werden auch hier zwei Sende-/Empfangsspulensysteme 1.1 benutzt, damit Signalsprünge, die sich am Übergang von Anfang zu Ende des Targets ergeben, keine Fehlinterpretationen hervorrufen können. Im konkreten Ausführungsbeispiel befinden sich die Sende-/Empfangsspulensysteme diametral einander gegenüberliegend. Das Target 1.2 ist am Umfang des Rotationskörpers 4.1 aufgebracht und erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Umfang des Rotationskörpers und verjüngt sich dabei entlang des Umfangs. Ebenso kann das Target 1.2 eine sich entlang des Umfangs des Rotationskörpers 4.1 veränderliche Form oder Zusammensetzung aufweist. Durch die beiden Sende-/Empfangsspulensysteme 1.1 ergibt sich ein Signalverlauf wie in 10 erläutert.
Um alternativ zu ermöglichen, dass beide Sende-/Empfangsspulensysteme 1.1 auf nur einer Seite des Rotationskörpers 4.1 angebracht werden können, kann ein Aufbau gemäß 12 erfolgen. Dabei sind mehrere Targets 1.2 räumlich und hinsichtlich ihrer Winkellage am Rotationskörper 4.1 versetzt aufgebracht. Innerhalb bestimmter Grenzen ist auch dieses Messsystem unabhängig gegenüber Verschiebungstoleranzen die parallel und/oder rechtwinklig zum Rotationskörper auftreten.
Mit diesem System kann auch die Torsion an einem Rotationskörper 4.1 wie einer Welle gemessen werden. Sind nämlich zwei Sende-/Empfangsspulensysteme an entlang der Rotationsachse verschiedenen Stellen des Rotationskörpers vorgesehen, entsprechen Differenzen in den Signalen der beiden Messsysteme einer Torsion der Welle.
Als Messgröße kann auch ein axiales Spiel bzw. ein Verschleiß an einer rotierenden Welle als Rotationskörper ermittelt werden. Diese Messgröße spiegelt sich nämlich im Abstand des Targets 1.2 zum Sende-/Empfangsspulensystem 1.1 als gesamter Betrag B_v wieder und ist deutlich von der Position des Targets als induktive Signatur S_i getrennt zu erfassen.
Verfahrensgemäß wird die Position eines Targets mit einer induktiven Sensoranordnung mit einem aus wenigstens zwei Spulen aufgebauten Sende-/Empfangsspulensystem 1.1 mit einem Detektionsbereich 10 erfasst. Das Sende-/Empfangsspulensystem 1.1 ist so beschaltet oder auch geometrisch so geformt und/oder so kalibriert, dass am Ausgang des Sende-/ Empfangsspulensystems ohne Metalleinfluss im Detektionsbereich 10 das Ausgangssignal ein Nullsignal ist. Bei einem Target 1.2 im Detektionsbereich 10 ist das Ausgangssignal ein Signal ungleich Null, wobei dieses Signal eine bestimmte Amplitude und Phase aufweist. Ein Regelungstreiber 1.5 regelt über einen geschlossenen Regelkreis mit einem auf den Empfangspfad einwirkenden Regelsignal 1.6 das Signal ungleich Null auch bei Vorhandensein des Targets 1.2 im Detektionsbereich 10 zur Erzielung eines ausgeregelten Zustands zu Null aus. Diesem Regelsignal ist eine Abweichung Δx, Δy vom ausgeregelten bzw. kalibrierten Zustand als Abstandsinformation zur Detektion der Position des Targets immanent. Diese Abweichungen Δx, Δy des Regelsignals werden in einer Vierquadrantendarstellung in einem x-, y-Koordinatensystem aufgetragen, dessen Ursprung der ausgeregelte bzw. kalibrierte Zustand ist, also der Zustand, in dem das Regelsignal Null ist. Weist das Target 1.2 eine sich entlang einer Messrichtung m veränderliche Form oder Zusammensetzung auf, wird in der Vierquadrantendarstellung der Abweichungen Δx und Δy des Regelsignals die Information ausgewertet, wobei der Winkel eines gedachten Vektors 2.6 vom Ursprung 2.7 zu einem Messpunkt 2.5 als Maß für die Bewegung des Targets 1.2 in Messrichtung m ist. Der Betrag des gedachten Vektors 2.6 entspricht einem Maß für den Abstand des Targets 1.2 vom Sende-/Empfangsspulensystem 1.1 normal zur Messrichtung m.
Das Sende-/Empfangsspulensystem 1.1 kann gemäß den 13, 14a und 14b aufgebaut sein. Im Ausführungsbeispiel der 13 wird der Sendespule 13.1 das Sendesignal 13.3 im Sendetakt alternierend und invertiert zugeführt. Dieses Sendesignal induziert ein Empfangssignal in der Empfangsspule 13.2, das im nachfolgenden Verstärker 13.4 verstärkt wird und dann in der Demodulation 1.8 gemäß 1 verarbeitet wird. Eine derartige Anordnung von Sendespule und Empfangsspule ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Gemäß 14a kann der Sendetakt auch auf die Spulen 14.1 und 14.2 einwirken, die dann gleichzeitig Sende- und Empfangsspule sind. Nähert sich ein Target einer dieser Spulen, so wird das ausgesendete und empfangene magnetische Feld vom Target beeinflusst. Die Spule 14.2 wird dann zur Referenzspule, während z.B. die Spule 14.1 vom Target beeinflusst wird. Dies wird im beschriebenen geschlossenen Regelkreis ausgeregelt, woraus sich dann die für die Detektion des Targets auszuwertenden Regelsignale ergeben. In 14b werden die Spulen gemäß 14a mit einem alternierenden und invertierten Sendesignal 13.3 versorgt.
Bezugszeichenliste

1.1: Spulensystem
1.2: Target
1.3: Sendetreiber
1.4: Sendesignal
1.5: Regelungstreiber
1.6: Regelsignal
1.7: Empfangspfad
1.8: Demodulation
1.9: Analog-Digitalwandler
1.10: Microcontroller
2.1: Signalkurve
2.2: Signalkurve
2.3: Signalkurve
2.4: Signalkurve
2.5: Messpunkt
2.6: Vektor
2.7: Ursprung des Koordinatensystems
3.3, a-a: Rotationsachse
4.1: Rotationskörper (Welle)
5.1: Signalverlauf eines ersten Spulensystems
5.2: Signalverlauf eines zweiten Spulensystems
5.3: Umschaltpunkt
5.4: Sprungstelle des Signalverlaufs
10: Detektionsbereich
13.1: Sendespule
13.2: Empfangsspule
13.3: Sendesignal
13.4: Verstärker
14.1: Sende-/Empfangsspule
14.2: Referenzspule
m: Messrichtung
n: Richtung normal zur Messrichtung
Δx, Δy: Abweichung des Regelsignals

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2012/104086 A1 [0002, 0024, 0027]
DE 102012001202 A1 [0003, 0026]

Claims

Induktive Sensoranordnung zur Detektion der Position wenigstens eines Targets (1.2) mit wenigstens einem Sende/Empfangsspulensystem (1.1), das aus wenigstens zwei Spulen aufgebaut ist und einen Detektionsbereich (10) aufweist und das so beschaltet ist, dass am Ausgang des Sende-/ Empfangsspulensystems ohne Metalleinfluss im Detektionsbereich das Ausgangssignal ein Nullsignal ist, wobei am Ausgang des Sende-/ Empfangsspulensystems bei einem Target (1.2) im Detektionsbereich (10) das Ausgangssignal ein Signal ungleich Null ist, das eine bestimmte Amplitude und Phase aufweist, sowie mit einer Regelung (1.5) für einen geschlossenen Regelkreis, dessen Regelsignal (1.6) das Signal ungleich Null im Empfangspfad (1.7) auch bei Vorhandensein des Targets (1.2) im Detektionsbereich (10) zur Erzielung eines ausgeregelten Zustands zu Null ausregelt, wobei dem Regelsignal (1.6) eine Abweichung (Δx, Δy) des Regelsignals vom ausgeregelten Zustand als Abstandsinformation zur Detektion der Position des Targets (1.2) immanent ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (1.2) eine sich entlang einer Messrichtung (m) veränderliche Form oder Zusammensetzung aufweist und dass bei einer Vierquadrantendarstellung der Abweichung (Δx) und der Abweichung (Δy) des Regelsignals der Winkel eines gedachten Vektors (2.6) zur x-Achse eines x-, y-Koordinatensystems, der vom Ursprung (2.7) des x-, y-Koordinatensystems, der dem ausgeregelten Zustand des Sende-/Empfangsspulensystems (1.1) entspricht, zu einem Messpunkt (2.5) führt, ein Maß für die Bewegung des Targets (1.2) in Messrichtung (m) ist und/oder der Betrag des gedachten Vektors (2.6) ein Maß für den Abstand des Targets (1.2) vom Sende-/Empfangsspulensystems (1.1) normal zur Messrichtung (m) ist.
Induktive Sensoranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Target (1.2) ein kreisbogenförmiges, sich verjüngendes Target ist.
Induktive Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (1.2) ein rotationssymmetrisches, kegelförmiges Target ist.
Induktive Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sende/Empfangsspulensystem (1.1) wenigstens zwei an unterschiedlichen Rotationswinkelpositionen des Targets (1.2) angeordnete Sende/Empfangsspulensysteme umfasst.
Induktive Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwei Sende/Empfangsspulensysteme (1.1) hinsichtlich der Rotationsachse (a-a) des Targets (1.2) diametral gegenüberliegen.
Induktive Sensoranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (1.2) am Umfang eines Rotationskörpers (4.1) aufgebracht ist.
Induktive Sensoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Targets (1.2) räumlich und hinsichtlich ihrer Winkellage am Rotationskörper (4.1) versetzt aufgebracht sind.
Verfahren zur induktiven Detektion der Position wenigstens eines Targets (1.2) mit einer Sensoranordnung mit einem Sende/Empfangsspulensystem (1.1) das aus wenigstens zwei Spulen aufgebaut ist und einen Detektionsbereich (10) aufweist und das so beschaltet ist, dass am Ausgang des Sende-/ Empfangsspulensystems ohne Metalleinfluss im Detektionsbereich das Ausgangssignal ein Nullsignal ist, wobei am Ausgang des Sende/Empfangsspulensystems (1.1) bei einem Target (1.2) im Detektionsbereich (10) das Ausgangssignal ein Signal ungleich Null ist, das eine bestimmte Amplitude und Phase aufweist, wobei in einem geschlossenen Regelkreis mit einem Regelsignal (1.6) das Signal ungleich Null im Empfangspfad (1.7) auch bei Vorhandensein des Targets (1.2) im Detektionsbereich (10) zur Erzielung eines ausgeregelten Zustands zu Null ausgeregelt wird, wobei dem Regelsignal (1.6) eine Abweichung (Δx, Δy) des Regelsignals vom ausgeregelten Zustand als Abstandsinformation zur Detektion der Position des Targets (1.2) immanent ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (1.2) eine sich entlang einer Messrichtung (m) veränderliche Form oder Zusammensetzung aufweist und dass bei einer Vierquadrantendarstellung der Abweichung (Δx) und der Abweichung (Δy) des Regelsignals der Winkel eines gedachten Vektors (2.6) zur x-Achse eines x-, y-Koordinatensystems, der vom Ursprung (2.7) des x-, y-Koordinatensystems, der dem ausgeregelten Zustand des Sende-/Empfangsspulensystems (1.1) entspricht, zu einem Messpunkt (2.5) führt, ein Maß für die Bewegung des Targets (1.2) in Messrichtung (m) ist und/oder der Betrag des gedachten Vektors (2.6) ein Maß für den Abstand des Targets (1.2) vom Sende-/Empfangsspulensystems (1.1) normal zur Messrichtung (m) ist.