DE202010011758U1

DE202010011758U1 - Sensoranordnung zur kontaktlosen Ermittlung der aktuellen Winkelstellung einer Welle

Info

Publication number: DE202010011758U1
Application number: DE202010011758U
Authority: DE
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2020-08-26
Also published as: CN202255277U; US20120092029A1; DE102011111041A1

Abstract

Sensoranordnung bestehend aus einem drehfest auf einen Welle (10) angeordnete Geber (11) und mindestens einem dem Geber (11) gegenüber ortsfest installierten Aufnehmer zur Ermittlung der Winkelstellung der Welle (10)
dadurch gekennzeichnet,
– dass der ortsfeste Aufnehmer durch eine erste und eine zweite kreisförmige Scheibe (21, 22) gebildet ist, die zueinander planparallel ausgerichtet sind und jeweils eine zentrale Bohrung (210, 220) zur Führung der Welle (10) aufweisen,
– dass die erste Scheibe (21) ist in vier gleiche Kreissegmente (211, 212, 213, 214) eingeteilt, die als voneinander isolierte Elektroden ausgebildet sind,
– dass die zweite Scheibe (22) als Gegenelektrode zur ersten Scheibe (21) ausgebildet ist und
– dass der Geber (11) als scheibenförmiges, festes, im wesentlichen halbkreisförmiges Dielektrikum, das mit der Welle (10) starr verbunden ist, zwischen den beiden Scheiben (21, 22) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur kontaktlosen Ermittlung der aktuellen Winkelstellung einer Welle, die eine drehfest hierauf angeordnete Geber aufweist, der mit mindestens einem dem gegenüber ortsfest installierten Aufnehmer zur Ermittlung der Winkelstellung der Welle zusammenwirkt.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf elektropneumatische oder rein elektrische Lagereglereinheiten für Stell- oder Regelantriebe. Für die Messung einer Winkelstellung einer Welle wird gewöhnlich eine kontaktlose Messung eingesetzt, um einen Verschleiß von sich relativ zueinander bewegenden Teilen der Sensoranordnung zu vermeiden.
Um die Winkelstellung einer Welle kontaktlos zu erfassen, also ohne einen mechanischen Abgriff durchzuführen, wird gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik entweder ein Permanentmagnet auf der Stirnseite der Welle angebracht und die Richtung des Magnetfelds ermittelt; nach einer anderen allgemein bekannten technischen Lösung wird ein Magnetring mit mehreren Magnetsegmenten entlang des Umfangs der Welle befestigt, wobei die Lage innerhalb eines Magnetsegments und der Übergang von einem Magnetsegment zum nächsten festgestellt und dann inkrementell gezählt wird, um einen 360°-Messbereich zu erzielen.
Aus der DE 44 15 686 A1 geht eine andere technische Lösung zur kontaktlosen Ermittlung der aktuellen Winkelstellung einer Welle hervor. Hierbei ist die Welle sowohl axial verschiebbar als auch drehbar gelagert und kann definierte axiale Stellungen und Winkelstellung einnehmen. Parallel zur Welle ist ein Wegsensor angeordnet, der mit einem wellenseitig befestigten Permanentmagneten zusammenwirkt. Der spezielle Permanentmagnet wird dabei derart am Umfang der Welle befestigt, dass dieser mit seiner Längsrichtung längs einer Schraubenlinien verläuft, so dass sowohl die axiale Verschiebung der Welle als auch deren Drehung unterschiedliche Positionen des für den Wegsensor wirksamen Teils des Permanentmagneten ergeben.
Aus der DE 42 39 635 A1 ist ein Verfahren zur Wegerfassung der Ventilstangenbewegung bei elektropneumatischen Stellungsreglern bekannt, bei dem in einem induktiv arbeitenden Sensor eine HF-Oszillation innerhalb eines LC-Resonanzkreises zur Erzeugung eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes angeregt wird, das über einen von der Ventilstange mitbewegten elektrisch leitfähigen Körper wegabhängig bedämpft wird und bei dem das Oszillatorsignal demoduliert und unverstärkt einem Mikrorechner zur Auswertung der wegabhängigen Oszillationsamplitudenbedämpfung zugeführt wird. Zwar gestattet dieses Verfahren eine berührungslose Wegmessung, doch ist der apparative Aufwand zur Durchführung des Verfahrens recht hoch und die Messgenauigkeit hat sich insbesondere bei Erschütterungen im rauhen Anlagenbetrieb als unzureichend erwiesen.
Ferner ist aus der DE 42 39 635 A1 bereits als Stand der Technik bekannt, zur Wegmessung an Ventilstangen Potentiometer, kapazitive Sensoren sowie Differentialtransformatoren zu verwenden, die über einen Hebelabgriff an der Ventilstange betätigt werden. Die Nachteile dieser vorbekannten Lösungen sind vielfältig. So sind Potentiometer in der Regel verschleißbehaftet, insbesondere dann, wenn sie im Bereich starker mechanischer Vibrationen oder Erschütterungen eingesetzt werden. Dieser Verschleiß macht sich durch einen zunehmenden Abrieb am Arbeitspunkt des Potentiometers bemerkbar. Die Verwendung von Drehkondensatoren ist sehr teuer, da hierbei aufwendige Schutzmaßnahmen gegen Feuchtigkeit getroffen werden müssen und außerdem sehr präzise mechanische Lager notwendig sind. Die Verwendung von Differentialtransformatoren ist nachteilig wegen der teuren mechanischen Lagerung, da Querbewegungen des Magneten in der Spule unterdrückt werden müssen. Die zur Versorgung entsprechend notwendige Elektronik ist außerdem zu teuer und hat einen relativ hohen Leistungsverbrauch. Darüber hinaus auf korrekten Einbau der drehwinkelbegrenzten Aufnehmer zu achten.
Das Problem der bekannten Drehwinkelsensoren besteht in ihrem hohen Energiebedarf. Darüber hinaus haben die trigonometrischen Algorithmen hohe Anforderungen an die mechanischen Toleranzen und die elektrischen Toleranzen der Sensoranordnung in Bezug auf Typstreuung, Temperaturdrift und dergleichen. Hierdurch reduziert sich die Messwertauflösung für nur einen Permanentmagneten auf maximal 14 Bit.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Sensoranordnung zur kontaktlosen Ermittlung der aktuellen Winkelstellung einer Welle zu schaffen, welche unter geringem Energieeinsatz und weniger sensortechnischer Bauteile ein genaues Messergebnis liefert.
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Sensoranordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung bestehend aus einem drehfest auf einen Welle angeordnete Geber und mindestens einem dem Geber gegenüber ortsfest installierten Aufnehmer zur Ermittlung der Winkelstellung der Welle.
Erfindungsgemäß ist der ortsfeste Aufnehmer durch eine erste und eine zweite kreisförmige Scheibe gebildet, die zueinander planparallel ausgerichtet sind und jeweils eine zentrale Bohrung zur Führung der Welle aufweisen. Die erste Scheibe ist in vier gleiche Kreissegmente eingeteilt, die als voneinander isolierte Elektroden ausgebildet sind. Die zweite Scheibe ist als Gegenelektrode zur ersten Scheibe ausgebildet. Der Geber ist als scheibenförmiges, festes Dielektrikum zwischen den beiden Scheiben angeordnet und hat im wesentlichen die Form eines Halbkreises, der mit der Welle starr verbunden ist.
Jede Elektrode der ersten Scheibe bildet mit der Gegenelektrode der zweiten Scheibe jeweils einen Kondensator, dessen Kapazität vom Grad der Durchdringung des Zwischenraums durch das Dielektrikum zwischen dem jeweiligen Segment der ersten Scheibe und der zweiten Scheibe abhängig ist.
Während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs rotiert die Welle in den Bohrungen der beiden Scheiben, wobei das Dielektrikum zwischen den beiden Scheiben mitgeführt wird und die voneinander isolierten Elektroden positionsabhängig überstreicht. Dabei sind stets mindestens zwei Elektroden der ersten Scheibe von dem Dielektrikum erfasst und mindesten eine Elektrode frei. Die Position der Welle wird aus den Kapazitäten der vier Kondensatoren errechnet.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Sensoranordnung bestehen in ihrer mechanischen Robustheit und in der geringen elektrischen Störbeeinflussung des Messwerks.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die vier Kondensatoren zur Digitalisierung der Kapazitätswerte an einen Switched-Capacitor-Sigma-Delta-Wandler angeschlossen. Vorteilhafterweise genügt bei diesem Wandlertyp die Digitalisierung von zwei Messwerten zur Bestimmung der Position der Welle. Dabei ergibt sich in jedem Quadranten eine Kombination aus einer über 90° konstanten Differenzkapazität und einer sich linear mit dem Drehwinkel verändernden Differenzkapazität.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist dabei in der sehr energiesparenden und hochgenauen Analog-Digital-Wandlung zu sehen.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Sensoranordnung einen geringen Temperaturgang auf, weil die Ladung jedes Kondensators mit einem teilüberlagerten Dielektrikum und einem Kapazitätswert zwischen der Kapazität bei Luftisolation und der Kapatzität bei vollständiger Bedeckung durch das Dielektrikum mit der Ladung eines Kondensators mit dem Kapazitätswert bei vollständiger Bedeckung durch das Dielektrikum in Bezug gesetzt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer Sensoranordnung zur kontaktlosen Ermittlung der aktuellen Winkelstellung einer Welle
2 ein normierter Kennlinienverlauf jeder Kapazität der Sensoranordnung
3 ein normierter Kennlinienverlauf der Sensoranordnung mit Switched-Capacitor-Sigma-Delta-Wandler
In der 1 ist Sensoranordnung zur kontaktlosen Ermittlung der aktuellen Winkelstellung einer Welle 10 in einer axialen und einer radialen Ansicht prinzipiell dargestellt. Auf der Welle 10 ist eine Geber 11 drehfest angeordnet. Der Geber 11 ist als Dielektrikum ausgebildet. Die Sensoranordnung weist ferner einen Aufnehmer auf, der gegenüber dem Geber 11 ortsfest installiert ist.
Der ortsfeste Aufnehmer besteht aus einer ersten und einer zweiten kreisförmigen Scheibe 21 und 22, die zueinander planparallel ausgerichtet sind und jeweils eine zentrale Bohrung 210, 220 zur Führung der Welle 10 aufweisen. Die erste Scheibe 21 ist in vier gleiche Kreissegmente 211, 212, 213 und 214 eingeteilt, die als voneinander isolierte Elektroden ausgebildet sind. Die zweite Scheibe 22 ist als Gegenelektrode zur ersten Scheibe 21 ausgebildet. Der Geber 11 ist als scheibenförmiges, festes Dielektrikum zwischen den beiden Scheiben 21 und 22 angeordnet und hat im wesentlichen die Form eines Halbkreises, der mit der Welle 10 starr verbunden ist.
Die Sensoranordnung ist also nach Art eines kreisrunden Plattenkondensators mit beweglichem Dielektrikum aufgebaut. Der Plattenkondensator umfasst dabei vier Kondensatoren C1, C2, C3 und C4, die gleichmäßig über seinen Umfang verteilt sind.
Unter der Voraussetzung gleicher Plattenfläche A, gleichen Plattenabstands d und gleichen Dielektrikums ε_r besitzen alle Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 zunächst die gleiche Kapazität C1,2,3,4 = CD = ε0·εr·Ad (1)
In Abhängigkeit von der Position des Gebers 11 und somit des jeweils wirksamen Dielektrikums ändern sich die Kapazitätswerte der Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 zwischen C_L, wenn sich zwischen den Platten nur Luft befindet, mit ε_r ≈ 1 CL = ε0·Ad (2)und einem Kapazitätswert C_D nach Formel 1 mit ε_r > 1, wenn die Platten eines Kondensators das Dielektrikum vollflächig überdecken.
In der 2 sind die Kapazitäten der einzelnen Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 über eine Umdrehung der Welle 10 normiert aufgetragen. Der im wesentlichen halbkreisförmige Geber 11 bedeckt jeweils zwei benachbarte Kreissegmente 211, 212, 213 und 214 vollflächig oder eines der Kreissegmente 211, 212, 213 und 214 vollflächig und die beiden unmittelbar benachbarten Kreissegmente 211, 212, 213 oder 214 komplementär teilflächig. Demzufolge bewirkt die Drehung der Welle 11 jeweils eine Erhöhung der Kapazität des Kondensators C1, C2, C3 und C4 eines Kreissegments 211, 212, 213 und 214 und im gleichen Maße eine Verringerung der der Kapazität des Kondensators C3, C4, C1 oder C2 jeweils gegenüberliegenden Kreissegments 213, 214, 211 und 212.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die vier Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 zur Digitalisierung der Kapazitätswerte an einen für sich bekannten Switched-Capacitor-Sigma-Delta-Wandler angeschlossen. Dabei wird jeweils die Differenz der Kapazitäten von zwei zusammengehörigen Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 ausgewertet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, jeweils Kondensatoren C1/C3 und C2/C4 gegenüberliegender Kreissegmente 211/213 und 212/214 in Zusammenhang zu bringen.
In der 3 sind die normierten Kapazitätsdifferenzen von Kondensatoren C1/C3 und C2/C4 jeweils gegenüberliegender Kreissegmente 211/213 und 212/214 über eine Umdrehung der Welle 10 aufgetragen. In jeden Quadranten ändert sich die Kapazitätsdifferenz jeweils eines Kondensatorpaares C1/C3 und C2/C4, während die Kapazitätsdifferenz des jeweils anderen Kondensatorpaares C2/C4 und C1/C3 gleichbleibt. Damit ist die Position der Welle 10 mittels der Switched-Capacitor-Sigma-Delta-Wandlung durch die Kapazitätsdifferenz jeweils eines Kondensatorpaares C1/C3 oder C2/C4 signifikant bestimmt.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist für die Digitalisierung der Kapazitäten der Kondensatoren C1/C3 und C2/C4 ein für sich bekannter, sogenannter Capacitance-to-Digital-Converter vorgesehen. Diese Art von Converter gehört zur Familie der oben genannten Switched-Capacitor-Sigma-Delta-Wandler. In besonders vorteilhafter Weise wird aber die die Ladung auf den zu messenden Kondensatoren C1/C3 und C2/C4 direkt genutzt, um die Kondensatorspannung zu digitalisieren. Dabei entfällt die Ladung des bei Switched-Capacitor-Sigma-Delta-Wandlern üblichen Eingangskondensators, dessen Umladung verlustbehaftete ist und somit zu Meßfehlern führen kann.

10: Welle
11: Geber
21, 22: Scheibe
210, 220: Bohrung
211, 212, 213, 214: Kreissegment
C1, C2, C3, C4: Kondensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4415686 A1 [0004]
- DE 4239635 A1 [0005, 0006]

Claims

Sensoranordnung bestehend aus einem drehfest auf einen Welle (10) angeordnete Geber (11) und mindestens einem dem Geber (11) gegenüber ortsfest installierten Aufnehmer zur Ermittlung der Winkelstellung der Welle (10) dadurch gekennzeichnet, – dass der ortsfeste Aufnehmer durch eine erste und eine zweite kreisförmige Scheibe (21, 22) gebildet ist, die zueinander planparallel ausgerichtet sind und jeweils eine zentrale Bohrung (210, 220) zur Führung der Welle (10) aufweisen, – dass die erste Scheibe (21) ist in vier gleiche Kreissegmente (211, 212, 213, 214) eingeteilt, die als voneinander isolierte Elektroden ausgebildet sind, – dass die zweite Scheibe (22) als Gegenelektrode zur ersten Scheibe (21) ausgebildet ist und – dass der Geber (11) als scheibenförmiges, festes, im wesentlichen halbkreisförmiges Dielektrikum, das mit der Welle (10) starr verbunden ist, zwischen den beiden Scheiben (21, 22) angeordnet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrode der ersten Scheibe (21) mit der Gegenelektrode der zweiten Scheibe (22) jeweils einen Kondensator (C1, C2, C3, C4) bildet, dessen Kapazität vom Grad der Durchdringung des Zwischenraums durch das Dielektrikum zwischen dem jeweiligen Kreissegment (211, 212, 213, 214) der ersten Scheibe (21) und der zweiten Scheibe (22) abhängig ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die vier Kondensatoren (C1, C2, C3, C4) zur Digitalisierung der Kapazitätswerte an einen Switched-Capacitor-Sigma-Delta-Wandler angeschlossen sind.