DE19837331A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer Drehbewegung - Google Patents

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.