DE4425903C2 - Vorrichtung mit einem Meßtransformator zur Erfassung der Position eines linear beweglichen Objektes - Google Patents
Vorrichtung mit einem Meßtransformator zur Erfassung der Position eines linear beweglichen ObjektesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Meßtransformator, welcher einen
langgestreckten Kern aufweist, der bevorzugt aus weichmagne
tischem Material gefertigt ist. Es ist eine erste, langge
streckte Wicklung vorhanden, welche bevorzugt annähernd über
die gesamte Länge auf den langgestreckten Kern gewickelt ist.
Ferner ist eine zweite, geteilten Wicklung vorhanden, deren
beide Teilspulen jeweils annähernd im Bereich der Enden über
die erste, langgestreckte Wicklung gewickelt sind. Schließ
lich ist ein Ansteuermagneten vorhanden, mit einem annähernd
parallel zur ersten, langgestreckten Wicklung liegenden
linearen Verfahrweg. Der Ansteuermagnet kann mit einem
beliebigen anderen Objekt verbunden und von diesem
berührungslos auf dem Verfahrweg parallel an dem langge
streckten Kern und den darauf befindlichen Wicklungen entlang
geführt werden. Mit einer derartigen, desweiteren kurz als
Meßtransformator bezeichneten Anordnung ist es möglich, die
aktuelle Linearposition eines mit dem Ansteuermagneten ver
bundenen Objektes auf dem durch die Länge des langgestreckten
Kerns und insbesondere der darauf befindlichen ersten, lang
gestreckten Wicklung bestimmten Verfahrweges zu bestimmen.
Ein Meßtransformator der oben beschriebenen Art ist z. B. von
der Firma Vacuumschmelze GmbH erhältlich. Ein derartiger Meß
transformator kann auch als PLCD-Sensor (Paramagnetic Linear
Contactless Displacement Sensor) bezeichnet werden.
In der EP 0 238 922 A1 ist ein praktischer Aufbau eines
derartigen Meßtransformators im Detail beschrieben. Dabei
werden zwei an den Enden des langgestreckten Kerns befind
liche Erregerwicklungen, welche der oben genannten zweiten
geteilten Wicklung entsprechen, von einer Wechselspannungs
quelle gespeist. Eine die aktuelle Lage des Ansteuermagneten
kennzeichnende Summenspannung wird an einer auf dem langge
streckten Kern zwischen den beiden Erregerwicklungen befind
lichen Sekundärspule, welche der oben genannten ersten lang
gestreckten Wicklung entspricht, abgenommen.
Zur Ansteuerung eines derartigen PLCD-Meßtransformators wer
den bislang Schaltungen eingesetzt, welche z. B. von der Firma
VALVO unter der Bezeichnung SE/NE5521 bzw. der Firma ANALOG
DEVICES unter der Bezeichnung AD598 erhältlich sind. Diese
Ansteuerschaltungen haben zum einen den Nachteil, daß sie an
sich zum Betrieb eines anderen, als LVDT (Linear Variable
Differential Transformer) bezeichneten, und auf dem Prinzip
einer Tauchspule beruhenden Sensors bestimmt sind. Der we
sentliche Nachteil dieser Ansteuerschaltungen wird aber darin
gesehen, daß zur Erregung des Meßtransformators die Einspei
sung einer sinusförmigen Spannung vorgesehen ist. Hierdurch
tritt zum einen der Nachteil auf, daß das Meßsignal am Aus
gang des Meßtransformators abhängig ist von den aktuellen
Werten der Induktivität und des Innenwiderstandes der Spulen
anordnung, und insbesondere von dem Temperaturgang dieser
Größen. Es müssen somit schaltungstechnisch aufwendige Maß
nahmen vorgesehen werden, um hiervon hervorgerufene Drif
tungen des Meßsignales am Ausgang des Meßtransformators zu
kompensieren. Da derartige Kompensationen in der Regel nur
unvollständig sein können, ist das bereitgestellte Linear
positions-Meßsignal mit einem Fehler behaftet. Zum anderen
tritt der weitere Nachteil auf, daß das Meßsignal am Ausgang
des Meßtransformators aufgrund der Sinusförmigkeit der er
regenden Eingangsspannung zum Zwecke der Bildung eines
Gleichspannungs-Meßsignales wiederum in einer schaltungs
technisch aufwendigen Weise geglättet werden muß. Auch
hierdurch wird der im Meßsignal enthaltene Fehler in der
Regel vergrößert.
Eine derartige Ansteuerung ist auch bei der in der
DE-AS 23 25 752 beschriebenen Einrichtung vorgesehen. Dabei
ist ein langgestreckter, rechteckförmiger Rahmenkern mit zwei
längeren und zwei kürzeren Schenkeln vorhanden. Ein Perma
nentmagnet kann im Inneren des Rahmenkerns entlang der länge
ren Schenkel bewegt werden. Auf einem der längeren Schenkel
ist eine Primärwicklung aufgebracht, welche von einem kon
stanten Speisewechselstrom gespeist wird. Auf den kürzeren
Schenkeln sind zwei Sekundärwicklungen aufgebracht, deren
Ausgänge einem Gleichrichter und einem Differenzbildner zuge
führt werden zur Bereitstellung einer die aktuelle Position
des Permanentmagneten kennzeichnenden Ausgangsspannung. Zur
Verbesserung der Linearität der Einrichtung und zur Unter
drückung von ungeraden Harmonischen, d. h. zur Unterdrückung
des Einflusses von Netzspannungsschwankungen, muß ein zu
sätzlicher Rückkopplungskreis vorgesehen werden. Dieser be
steht aus zwei auf den kürzeren Schenkeln des Rahmenkerns
aufgebrachten zusätzlichen Spulen, welche über eine Diode
verbunden sind.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen aus
Meßtransformator und Ansteuer- und Auswerteschaltung be
stehenden magnetischen Wegsensor anzugeben, welcher bei
geringerem schaltungstechnischen Aufwand ein genaues, insbe
sondere von temperaturbedingten Driftungen unabhängiges,
Linearpositions-Meßsignal bereitstellt.
Die Aufgabe wird gelöst mit der im Anspruch 1 angegebenen
Vorrichtung. Vorteilhafte weitere Ausführungsformen derselben
sind in den nachfolgenden Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung und vorteilhafte Ausführungsformen derselben
werden anhand der nachfolgend kurz dargestellten Figuren nä
her erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines Meßtrans
formators der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild der aus Meßtransformator und
Ansteuer- und Auswerteschaltung bestehenden, er
findungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung der
Position eines linear beweglichen Objektes, und
Fig. 3a den Zeitverlauf eines erfindungsgemäß zur An
steuerung des Meßtransformators der erfindungs
gemäßen Vorrichtung dienenden eingeprägten perio
dischen Wechselstromes, welcher eine
dreieckförmige Form aufweist, und
Fig. 3b-3c beispielhaft die bei der Ansteuerung mit dem
dreieckförmigen, eingeprägten, Wechselstrom auf
tretenden und zu vier unterschiedlichen Positio
nen a, b, c, d des Ansteuermagneten auf dem Verfahr
weg gehörigen Zeitverläufe einer Meßwechselspan
nung Uw und einer hieraus abgeleiteten Meßgleich
spannung Ug am Ausgang der erfindungsgemäßen Vor
richtung.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Meßtransforma
tors der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Dieser
weist einen langgestreckten Kern 1 auf, welcher bevorzugt aus
einem weichmagnetischen Material besteht. Eine erste, lang
gestreckte Wicklung 2 ist bevorzugt über dessen gesamte Länge
auf den langgestreckten Kern 1 gewickelt. Ferner ist eine
zweite, geteilte Wicklung 3 vorhanden, deren zwei Teilspulen
jeweils annähernd im Bereich der Enden über die erste, lang
gestreckte Wicklung 2 gewickelt sind. Schließlich ist ein An
steuermagnet 4 vorhanden, der auf einem annähernd parallel
zum langgestreckten Kern 1 bzw. zur ersten, langgestreckten
Wicklung 2 liegenden linearen Verfahrweg 5 berührungslos
positionierbar ist. Der Ansteuermagnet kann mit einem be
liebigen weiteren Objekt verbunden sein, dessen aktuelle
Linearposition auf dem zur Verfügung stehenden Verfahrweg 5
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmbar ist.
Die Ansteuerung des Meßtransformators erfolgt somit über den
Ansteuermagneten 4. Dessen Magnetfeld 6 wirkt regional auf
die erste, langgestreckte Wicklung 2 ein und ruft einen lokal
begrenzten Sättigungsbereich 6 in der Anordnung aus langge
strecktem Kern 1 und erster Wicklung 2 hervor. Die Position
dieses gesättigten Bereiches 6 entlang dem Verfahrweg 5 kann
durch die Anordnung der beiden Wicklungen 2 und 3 ermittelt
werden. Hierzu wird erfindungsgemäß ein periodischer,
dreieckförmiger Strom I in die erste, langgestreckte
Wicklung 2 über deren Anschlußkontakte 8 eingeprägt. Hier
durch wird eine Meßwechselspannung Uw im Meßtransformator
induziert, die an den Anschlußklemmen 9 der zweiten, ge
teilten Wicklung 3 abgegriffen werden kann. Diese ist bei
dem dreieckförmigen eingeprägten, periodischen
Wechselstrom I rechteckförmig, und weist eine von der aktu
ellen Lage des Ansteuermagneten 4 auf dem Verfahrweg 5 ab
hängige Stufenhöhe auf.
In Fig. 2 ist in Form eines Blockschaltbildes die aus einem
Meßtransformator, wie er beispielhaft in Fig. 1 gezeigt ist,
und einer Ansteuer- und Auswerteschaltung bestehende, erfin
dungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der Position eines li
near beweglichen Objektes dargestellt. Erfindungsgemäß weist
die Ansteuer- und Auswerteschaltung eine Stromquelle 11 auf,
welche einen periodischen, dreieckförmigen Wechselstrom I in die erste, lang
gestreckte Wicklung 2 über deren Anschlußkontakte 8 einprägt.
Erfindungsgemäß weist dieser eingeprägte Strom I eine
Dreieckform auf, wie dies beispielhaft in Fig. 3a darge
stellt ist. Gemäß einer in Fig. 2 bereits dargestellten,
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Strom
quelle 11 über einen Taktgenerator 10 gesteuert. Hierüber
kann die Frequenz des periodischen Wechselstromes I anwen
dungsabhängig optimal vorgegeben werden.
Der Zusammenhang zwischen dem erregenden, eingeprägten Wech
selstrom I und der induzierten Meßwechselspannung Uw am Aus
gang der zweiten, geteilten Wicklung 2 kann angenähert wie
folgt dargestellt werden
Uw = - k * L * dI/dt
Uw: induzierte Meßwechselspannung
k: Übersetzungsverhältnis des Meßtransformators, abhän gig von der aktuellen Position des Ansteuermagneten 4
L: Induktivität des Meßtransformators
dI/dt: zeitliche Ableitung des eingeprägten Wechselstromes
k: Übersetzungsverhältnis des Meßtransformators, abhän gig von der aktuellen Position des Ansteuermagneten 4
L: Induktivität des Meßtransformators
dI/dt: zeitliche Ableitung des eingeprägten Wechselstromes
In Fig. 2 sind beispielhaft vier unterschiedliche Positionen
a, b, c, d des Ansteuermagneten 4 auf dem Verfahrweg 5 darge
stellt. Dabei ist die Mitte der ersten, langgestreckten
Wicklung 2 und damit die Mitte des Verfahrweges 5 durch eine
strichpunktierte Linie 12 markiert. Beispielhaft liegen die
mit a, c bezeichneten Positionen des Ansteuermagneten 4 in den
beidseitig der Mitte 12 benachbarten Bereichen, während die
mit b, d bezeichneten Positionen des Ansteuermagneten 4 je
weils an einem Ende des Verfahrweges 5 liegen. Da jede der
Positionen ein anderes Übersetzungsverhältnis im Meßtrans
formator hervorruft, wird durch jede der Positionen a, b, c,
d eine insbesondere bezüglich der Amplitude unterschiedliche
Meßwechselspannung Uw erzeugt, so daß eine eindeutige Identi
fikation der aktuellen Linearposition des Ansteuermagneten 4
möglich ist.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 wird die Meßwechselspannung
Uw am Ausgang der zweiten, geteilten Wicklung 3 hierzu er
findungsgemäß einem Gleichrichter 13 zugeführt, welcher hier
aus eine Meßgleichspannung Ug mit einer von der aktuellen
Lage des Ansteuermagneten 4 auf dem Verfahrweg 5 abhängigen
Amplitude bildet. Entsprechend einer weiteren, in Fig. 2
bereits dargestellten Ausführung ist es vorteilhaft, wenn der
Gleichrichter 13 bezüglich der Phasenlage des in die erste,
langgestreckte Wicklung 1 eingeprägten Stromes I synchroni
siert wird. Hierzu wird in Fig. 2 der vom Taktgeber 10 er
zeugte Steuertakt auch dem in einem solchen Fall phasenemp
findlichen Gleichrichter 13 als Referenz zugeführt. Die am
Ausgang des Gleichrichters 13 entstehende, bezüglich der
Amplitude von der aktuellen Linearposition des Ansteuer
magneten 4 abhängige Gleichspannung Ug kann bei Bedarf in
einem nachfolgenden Meßumformer 14 in einen dimensions
richtigen Lagemeßwert L umgesetzt werden.
Die Synchronisierung des Gleichrichters 13 bezüglich der
Phasenlage des in die erste, langgestreckte Wicklung 1 ein
geprägten Stromes I hat den Vorteil, daß die Auflösung der
Meßgleichspannung Ug erhöht wird. Dies hat zur Folge, daß der
Gleichrichter 13 bei annähernd mittiger Position 12 des An
steuermagneten 4 auf dem Verfahrweg 5 eine Meßgleichspannung
Ug mit der Amplitude der Größe von etwa Null abgibt, während
die Meßgleichspannung Ug bei einer auf der einen bzw. anderen
Seite neben der mittigen Position 12 befindlichen Lage des
Ansteuermagneten 4 auf dem Verfahrweg 5 eine positive bzw.
negative Amplitude aufweist, deren Absolutwert mit dem
Abstand von der mittigen Position 12 zunimmt. Dies wird
desweiteren anhand der Zeitverläufe der Fig. 3b bis 3e
näher erläutert.
Die Fig. 3b bis 3e zeigen beispielhaft bei Vorliegen des
gemäß der Darstellung in Fig. 3a dreieckförmi
gen, eingeprägten Wechselstromes I die Zeitverläufe der zu
den vier in Fig. 2 dargestellten unterschiedlichen Positi
onen a, b, c, d des Ansteuermagneten auf dem Verfahrweg 5
gehörigen Meßwechselspannungen Uw und Meßgleichspannungen Ug.
So werden bei den Positionen a bzw. b Meßwechselspannungen Uw
und Meßgleichspannungen Ug erzeugt, welche in den Fig. 3b
und 3c in durchgezogener bzw. strichlierter Linie dargestellt
sind. Dabei weisen die Meßwechselspannungen Uw in Fig. 3b
eine positive Phasenlage auf, so daß die dazugehörigen Meß
gleichspannungen Ug in Fig. 3c jeweils eine positive
Amplitude haben.
Die bei den Positionen c bzw. d erzeugen Meßwechselspannungen
Uw und Meßgleichspannungen Ug sind in den Fig. 3d und 3e
ebenfalls in durchgezogener bzw. strichlierter Linie darge
stellt. Dabei weisen die Meßwechselspannungen Uw in Fig. 3d
im Vergleich zu Fig. 3b eine negative Phasenlage auf, so daß
die dazugehörigen Meßgleichspannungen Ug in Fig. 3e jeweils
eine negative Amplitude haben. An einem Vergleich der Fig.
3c und 3e ist zu erkennen, daß jeder der unterschiedlichen
Positionen a, b, c, d des Ansteuermagneten in Fig. 2 eine
unterschiedlicher, positiver oder negativer Amplitudenwert
der Meßgleichspannung Ug zugeordnet werden kann, so daß eine
eindeutige Bestimmung der aktuellen Linearposition möglich
ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß auf
Grund der erfindungsgemäßen Wechselstromeinprägung in die
erste, langgestreckte Wicklung 2 die induzierte Meßwechsel
spannung Uw an den Anschlußkontakten 9 der zweiten, geteilten
Wicklung 3 unabhängig ist von den aktuellen Werten der Induk
tivität und des Innenwiderstandes des Meßtransformators.
Temperaturbedingte Driftungen dieser Werte können somit die
Meßgenauigkeit, d. h. die Abbildung der Linearposition eines
Objektes auf dem Verfahrweg 5 in eine Meßgleichspannung Ug,
nicht beeinträchtigen. Es sind somit keine schaltungstech
nisch aufwendigen Kompensationsmaßnahmen notwendig.
Die Einprägung des dreieckförmigen Stromes hat den weiteren
Vorteil, daß die induzierte Meßwechselspannung Uw gemäß der
Darstellung in den Fig. 3b und 3d rechteckförmig ist, und
eine von der aktuellen der Lage des Ansteuermagneten 4 auf
dem Verfahrweg 5 abhängigen Stufenhöhe aufweist. Der diese
Meßwechselspannung Uw in eine Meßgleichspannung Ug umwandeln
de Gleichrichter 13 kann somit einfach ausgeführt werden,
wobei wiederum keine aufwendigen Maßnahmen zur Glättung von
Oberwellen notwendig sind.
Claims (3)
1. Vorrichtung zur Erfassung der Position eines linear beweg
lichen Objektes, mit
- a) einem Meßtransformator (Fig. 1) mit
- a1) einem langgestreckten Kern (1),
- a2) einer ersten, langgestreckten Wicklung (2), welche auf den langgestreckten Kern (1) gewickelt ist,
- a3) einer zweiten, geteilten Wicklung (3), welche an nähernd im Bereich der Enden über die erste, langge streckte Wicklung (2) gewickelt ist, und
- a4) einem Ansteuermagneten (4), welcher längs eines linearen Verfahrwegs (5) annähernd parallel zur ersten, langgestreckten Wicklung (2) beweglich ist, und mit
- b) einer Ansteuer- und Auswerteschaltung, mit
- b1) einer Stromquelle (11), welche einen periodischen, dreieckförmigen Wechselstrom (I) in die erste, langge streckte Wicklung (2) einprägt, und
- b2) einem Gleichrichter (13), welcher aus einer Meßwech selspannung (Uw) am Ausgang der zweiten, geteilten Wick lung (3) eine Meßgleichspannung (Ug) mit einer von der aktuellen Lage des Ansteuermagneten (4) auf dem Verfahr weg (5) abhängigen Amplitude bildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Gleichrichter (13)
bezüglich der Phasenlage des in die erste, langgestreckte
Wicklung (1) eingeprägten Stromes (I) synchronisiert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Gleichrichter (13)
bei annähernd mittiger Position (12) des Ansteuermagneten (4)
auf dem Verfahrweg (5) eine Meßgleichspannung (Ug) mit einer
Amplitude des Wertes Null abgibt, während die Meßgleichspan
nung (Ug) bei einer auf der einen bzw. anderen Seite neben
der mittigen Position (12) befindlichen Lage des Ansteuermag
neten (4) auf dem Verfahrweg (5) eine positive bzw. negative
Amplitude aufweist, deren Absolutwert mit dem Abstand von der
mittigen Position (12) zunimmt (Fig. 3b bis 3e).
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