DE19837331A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer Drehbewegung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer DrehbewegungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Messen einer Drehbewegung.
Zum Messen von Drehbewegungen sind verschiedenartigste
Verfahren bekannt. Zum einen sind Verfahren bekannt, die
mit Permanentmagneten auf magnetisch induktiver oder
magnetisch resistiver Basis (Hallsensoren) arbeiten. Die
Magnete sind allerdings verschmutzungsanfällig. Auch
erfolgt langfristig eine Magnetisierung anderer metalli
scher Teile. Es ist keine Rückwirkungsfreiheit gegeben.
Es ist weiterhin bekannt, die Veränderung einer Schwing
kreisfrequenz von drei um 120° versetzten Schwingkreisen
durch ein sich mit einem Flügelrad drehendes Metallteil
zu messen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß
aufwendige manuelle Abgleicharbeiten erforderlich sind,
da dieses Verfahren exakt abgeglichene Schwingkreise
benötigt. Es ist wegen des erforderlichen manuellen
Abgleichs sehr arbeitsintensiv in der Produktion und
macht damit nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtun
gen sehr teuer. Das Verfahren wird daher nur dann einge
setzt, wenn die Nachteile magnetischer Systeme nicht mehr
tragbar sind und der Einsatz dieses Verfahrens unumgäng
lich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Messen von Drehbewegungen zu
schaffen, die unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile
robust sind, eine hohe Standzeit haben, rückwirkungsfrei
sind und keine anderen Teile beeinträchtigen oder verän
dern und insbesondere einen einfachen Schaltungsaufbau
aufweisen.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe mit einem
Verfahren zum Messen einer Drehbewegung gelöst, bei dem
mit einer gegenüber der Drehfrequenz hohen Wiederholrate
ein Spannungssprung auf mindestens ein aus einem Ohmschen
und einem Blind-Widerstand bestehendes elektrisches Glied
gegeben wird, dessen Blind-Widerstand nahe einem in
Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise mit elektro
magnetischem Material versehenen Drehelement angeordnet
ist, und die Zeit vom Beginn des Spannungssprunges bis
zum Erreichen einer vorgegebenen Spannung am Ohmschen
Widerstand gemessen und mittels der gemessenen Zeit die
Drehbewegung bestimmt wird.
Die genannte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrich
tung zum Messen einer Drehbewegung gelöst mit einem durch
dauermagnetisches Material auf dem Drehelement bewirkten
Spannungssprung.
In bevorzugten alternativen Ausgestaltungen kann das
elektrische Glied ein RL- oder RC-Glied sein und demgemäß
der Spannungssprung auf ein solches aufgegeben werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß
das Erreichen der vorgegebenen Spannung durch einen
Schwellwelldetektor detektiert wird bzw. daß mindestens
ein Schwellwertdetektor zum Detektieren des Erreichens
einer vorgegebenen Spannung am Ohmschen Widerstand vorge
sehen ist, wobei der Schwellwertdetektor insbesondere ein
Schmitt-Trigger sein kann.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens sehen
vor, daß jeweils zwei gemessene Zeiten durcheinander
dividiert werden und/oder daß die Zeit bis zum erreichen
einer vorgegebenen Spannung an mehr als einem elektri
schen Glied gemessen wird, wobei dann insbesondere
gleichzeitig an verschiedenen elektrischen Gliedern ge
messene Zeiten durcheinander dividiert werden.
Die Wiederholrate der Spannungssprünge kann in der Grö
ßenordnung von 200 bis 1000 Hz liegen, wobei sich eine
Wiederholrate von 256 Hz im Hinblick auf die digitale
Verarbeitung anbietet.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrich
tung ist vorgesehen, daß die Zeitmeßeinrichtung ein
Zeit-Digital-Wandler ist und/oder daß die Zeitmeßeinrich
tung einen Dividierer zum Dividieren zweier Zweiten auf
weist.
Das elektromagnetisch wirksame Material kann entweder
elektrisch leitfähiges Material sein, das abschnittsweise
über den Umfang des Drehelements angeordnet ist oder aber
permanent- oder ferromagnetisches Material, das auch über
den gesamten Umfang des Drehelements angeordnet sein muß,
wobei die Magnetisierung zumindest eine Komponente senk
recht zur Drehachse hat.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß
kein Abgleich bei der Endmontage der Vorrichtungen erfor
derlich ist, da eine Zeitdifferenzmessung mit elektroni
scher Nachverarbeitung vorgenommen wird. Insbesondere bei
der Verwendung von TDCs als Zeitdifferenzmesser können
Zeitkonstanten der elektronischen Glieder (RL-, RC-Glie
der) in der Größenordnung von 200 bis 300 Nanosekunden,
also sehr kurz, gewählt werden, so daß schnelle und
stromsparende Messungen durchgeführt werden können. Dies
ist wichtig, da derartige Drehbewegungsmessungen oft an
Stellen vorgenommen werden müssen, bei denen sich eine
Stromversorgung aus dem Netz nicht anbietet, daher auf
die Stromversorgung von Batterien zurückgegriffen wird.
Weitere bevorzugte Vorteile der Erfindung liegen darin,
daß die Vorrichtung einen äußerst einfachen Schaltungs
aufbau mit einfachen und damit preiswerten Sensoren
aufweisen kann. Die Dimensionierung von Ohmschem Wider
stand und Blind-Widerstand (Induktivität, Kapazität) kann
derart erfolgen, daß handelsübliche und damit preiswerte
Komponenten eingesetzt werden können. Die Stromaufnahme
liegt deutlich unter dem eingangs genannten Verfahren.
Ein manueller Abgleich des Systems ist nicht notwendig.
Insgesamt wird durch die Erfindung ein einfaches und
preiswertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung
geschaffen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschrei
bung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert ist.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten
bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsge
mäßen Vorrichtung; und
Fig. 2 eine andere Ausgestaltung der erfindungsge
mäßen Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 geht aus von einem
Drehelement 2, wie einem Flügelrad oder dgl., dessen
Drehbewegung gemessen werden soll, und zwar insbesondere
die Anzahl der Umdrehungen des Drehelementes 2, ggf. aber
auch die Drehrichtung. Die in der Figur dargestellte
Vorrichtung ist zur Bestimmung der Anzahl der Umdrehungen
und der Drehrichtung geeignet.
Das Drehelement 2 ist hierzu bei der Ausgestaltung der
Fig. 1 abschnittsweise mit elektrisch leitfähigem Mate
rial 3 belegt, das auch ferromagnetisch sein kann. Das
elektrisch leitfähige Material ist bei der dargestellten
Ausführungsform ein Metallplättchen, das seitlich des
Drehelements 2 im Ausführungsbeispiel einen Winkelbereich
von 90° einnimmt; dieser kann auch einen anderen Wert
haben, also kleiner oder größer sein und insbesondere bei
etwa 160° liegen.
Nahe dem Drehelement 2, und zwar neben einer Stirnseite
desselben, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel
Blind-Widerstände in Form von Induktivitäten L von elek
trischen Gliedern 4, hier RL-Gliedern, angeordnet, die
neben der Induktivität L auch einen Ohmschen Widerstand R
aufweisen.
Die RL-Glieder sind (in der Regel) identisch ausgebildet.
Die Induktivität L und der Ohmsche Widerstand R können so
gewählt werdend daß das RL-Glied eine Zeitkonstante t von
200 bis 300 nsec hat. Die RL-Glieder sind im dargestell
ten Ausführungsbeispiel mit einer Spannungsquelle 6
verbunden, über die ihnen gleichzeitig ein Spannungs
sprungs aufgegeben werden kann. Es kann auch vorgesehen
sein, daß mehrere Spannungsquellen gleicher Ausgestaltung
vorhanden sind oder aber die Spannungsquelle 6 über
Schalter min den RL-Gliedern verbunden ist, so daß diese
sukzessive mit Spannungssprüngen beaufschlagt werden
können.
Wenn die Spannungsquelle 6 mit der den Ohmschen Wider
ständen R abgewandten Seite der Induktivitäten L verbun
den ist, so ist die den Induktivitäten abgewandte weite
der Ohmschen Widerstände mit Erde E verbunden, also
geerdet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin eine
Zeitmeßeinrichtung 7 auf, die in bevorzugter Weise ein
Zeit-Digital-Wandler oder Time-to-Digital-Converter TDC
ist. In der Zeitmeßeinrichtung 7 sind Schwellwertdetekto
ren 8 integriert, die jeweils über eine Leitung 9 mit
einem Zwischenabgriff 11 zwischen Induktivität L und
Ohmschem Widerstand R verbunden sind, so daß über sie
jeweils am Ohmschen Widerstand liegende Spannung abge
griffen wird und bestimmt werden kann, wann diese einen
vorgegebenen Wert überschreitet.
Während der Drehbewegung des Drehelements 2 wird den
RL-Gliedern 4 von der Spannungsquelle 6 ein Spannungs
sprung S von beispielsweise 3 V mit einer Wiederholrate
von beispiels- und vorzugsweise 256/sec. aufgegeben. Die
Spannung am Ohmschen Widerstand R steigt exponentiell an,
wobei das Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes
durch die Schwellwertdetektoren 8 detektiert wird.
Gleichzeitig wird die bis zum Erreichen des Schwellwertes
ab Aufgabe des Spannungssprungs S vergangene Zeit durch
die Zeitmeßeinrichtung 7 gemessen.
Die Zeit bis zum Erreichen des Schwellwertes hängt davon
ab, ob zum Zeitpunkt der Messung sich im Bereich des
jeweiligen RL-Glieds 4 das metallische Material 3 befin
det oder nicht. In ersterem Fall ist die Anstiegszeit
kleiner als im zweitgenannten Fall, da im elektrisch
leitfähigen Material, wie dem Metallplättchen, Wirbel
ströme erzeugt werden. Der Zeitunterschied liegt bei 1
bis 2%. Die Zeitdifferenz wird von der Zeitmeßeinrich
tung 7 erkannt und ausgewertet, wobei dies vorzugsweise
dadurch geschieht, daß jeweils zwei der gemessenen Zeiten
an zwei verschiedenen RL-Kombinationen, die durch den
gleichen Spannungssprung eingeleitet wurden, durcheinan
der dividiert werden. Durch die Anordnung von mindestens
drei RL-Gliedern 4 wird, wie im dargestellten Ausfüh
rungsbeispiel, auch die Erfassung der Drehrichtung ermög
licht, da die Zeitmeßeinrichtung 7 dann, nachdem das
Metallplättchen 3 an einem RL-Glied sich vorbeibewegt
hat, erkennen kann, an welchem der anderen RL-Glieder es
sich als nächstes vorbeibewegt. Falls nur drei RL-Glieder
vorhanden sind, so sind diese ebenfalls symmetrisch, d. h.
jeweils unter 120° versetzt, am Drehelement 2 angeordnet.
Eine solche Ausgestaltung mit drei symmetrisch am Umfang
des Drehelements 2 jeweils unter 120° versetzten RL-Glie
dern ist in der Fig. 2 dargestellt. Abgesehen hiervon
liegt der wesentliche Unterschied der Ausgestaltung der
Fig. 2 gegenüber der der Fig. 1 darin, daß nicht ledig
lich abschnittsweise über den Umfang des Drehelements 2
hin ein (lediglich) elektrisch leitfähiges Material
vorgesehen ist, sondern daß über den gesamten Umfang des
Drehelements 2 hin permanentmagnetisches Material 3'
vorgesehen ist, dessen Magnetisierung radial gerichtet
ist, so daß sich die eingezeichneten Nord- und Südpole
diagonal gegenüberliegen. Die Spulen weisen vorzugsweise
einen Verritklan auf. Weiterhin kann vorgesehen sein, daß
im Bereich der Spulen jeweils ein Dauermagnet vorgesehen
ist, wodurch die Anordnung magnetisch vorgespannt wird,
so daß die Spulen in ihrem besonders nicht linearen
Bereich betrieben werden und daher große und gut detek
tierbare Induktivitätsänderungen erreichbar sind.
Der sonstige Aufbau der Ausgestaltung der Fig. 2 ent
spricht der der Fig. 1, so daß für gleiche Teile auch
gleiche Bezugszeichen gewählt sind. Auch die Funktions
weise ist im wesentlichen die gleiche, insbesondere die
der Zeitmeßeinrichtung 8. Dreht sich das Drehelement 2
mit dem Dauermagenten 3', so ändert sich das magnetische
Feld an einer Spule je nach der Winkelstellung des Magne
ten 31 zur Spule und erzeugt eine winkelabhängige Ände
rung der Induktivität, die in der unter Bezug auf Fig. 1
beschriebenen Weise ausgewertet wird.
Claims (20)
1. Verfahren zum Messen einer Drehbewegung, wobei mit
einer gegenüber der Drehfrequenz hohen Wiederholrate
ein Spannungssprung auf mindestens ein aus einem
Ohmschen und einem Blind-Widerstand bestehenden
elektrisches Glied gegeben wird, dessen Blind-Wider
stand nahe einem in Umfangsrichtung zumindest ab
schnittsweise mit elektro-magnetisch wirksamen
Material versehenen Drehelement angeordnet ist und
wobei die Zeit vom Beginn des Spannungssprunges bis
zum Erreichen einer vorgegebenen Spannung am Ohm
schen Widerstand gemessen wird und mittels der
gemessenen Zeit die Drehbewegung bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungssprung an einem RL-Glied aufgegeben
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungssprung an einem RC-Glied aufgegeben
wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Erreichen der vorge
gebenen Spannung durch einen Schwellwelldetektor
detektiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei gemessene
Zeiten durcheinander dividiert werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit bis zum Errei
chen einer vorgegebenen Spannung an mehr als einem
elektrischen Glied gemessen wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig an ver
schiedenen elektrischen Gliedern gemessene Zeiten
durcheinander dividiert werden.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß neben der Anzahl der
Umdrehungen auch die Drehrichtung bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das in Umfangsrichtung
des Drehelements abschnittsweise vorgesehene
Material elektrisch leitfähiges Material ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das für den Drehelement
vorgesehene Material ein permanentmagnetisches
Material ist.
11. Vorrichtung zum Messen einer Drehbewegung, mit einem
in Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise mit
elektro-magnetischem Material (3) versehenen Dreh
element (2), mit mindestens einem aus Ohmschem und
Blind-Widerstand (R; L; C) bestehenden elektrischen
Glied (4)-, dessen Blind-Widerstand (L, C) nahe dem
Drehelement (2) angeordnet ist, mit einer Spannungs
quelle (6) zur Erzeugung von Spannungssprüngen am
elektrischen Glied (4) mit einer gegenüber der
Drehfrequenz hohen Wiederholrate und mit einer
Zeitmeßeinrichtung (7) zum Messen der Zeit vom
Beginn eines Spannungssprunges bis zum Erreichen
einer vorgegebenen Spannung am Ohmschen Widerstand
(R).
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Glied (4) ein RL-Glied ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9. dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Glied (4) ein RC-Glied ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
gekennzeichnet durch mindestens einen Schwellwertde
tektor (8) zum Detektieren des Erreichens einer
vorgegebenen Spannung am Ohmschen Widerstand (R).
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmeßeinrichtung
(7) ein Zeit-Digital-Wandler (Time-to-Digital-Con
verter - TDC) ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmeßeinrichtung
(7) einen Dividierer zum Dividieren zweier Zeiten
aufweist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß das Drehelement in
Umfangsrichtung abschnittsweise mit elektrisch
leitfähigem Material versehen ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich
net, daß das Drehelement mit permanentmagnetischem
Material versehen ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich
net, daß das permanentmagnetische Material senkrecht
zur Drehachse des Drehelements magnetisiert ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19. dadurch gekennzeich
net, daß das permanentmagnetische Material über dem
gesamten Umfang des Drehelements vorgesehen ist.
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