DE4430467A1 - Anordnung zum Messen der Lage eines beweglichen Gegenstands - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Mes­ sen der Lage eines beweglichen Gegenstands, insbesonde­ re für einen Lageregelkreis, mit wenigstens einer Meß­ brücke, die zwei parallel an einer Stromquelle an­ schließbare Brückenhälften aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Brückenzweigen und einen die Verbindung der Brückenzweige der einen Brückenhälfte mit der Ver­ bindung der Brückenzweige der anderen Brückenhälfte verbindenden Querzweig mit einem Meßwandler aufweist, wobei in den Brückenzweigen wenigstens der einen Brücken­ hälfte jeweils ein Sensor mit einem in Abhängigkeit von der Lage des Gegenstands veränderbaren Widerstand angeordnet ist und die Sensoren gleich sind.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art (US-PS 3 961 243) liegt in jedem Brückenzweig der einen Brückenhälf­ te jeweils eine Spule mit einem parallel geschalteten ohmschen Widerstand und in jedem Brückenzweig der ande­ ren Brückenhälfte jeweils ein einstellbarer ohmscher Widerstand. Das magnetische Feld der Spulen wird durch einen beiden Spulen gemeinsamen beweglichen Gegenstand in Form eines Magnetkerns beeinflußt, so daß sich ihre Induktivitäten und damit ihre induktiven Widerstände gegensinnig ändern, wenn der Magnetkern, der in der Mitte zwischen beiden Spulen angeordnet ist, relativ zu den Spulen in der einen oder anderen Richtung parallel zur Längsachse der Spulen verschoben wird. Als Strom­ quelle ist eine Wechselstromquelle vorgesehen. Die ohm­ schen Widerstände sind auf gleiche Werte eingestellt. Wenn der Magnetkern verschoben wird, ergibt sich eine Verstimmung der Brücke, die durch einen Meßwandler in Form eines Meßgeräts im Brückenquerzweig angezeigt wird. Durch Verstellung des einen oder anderen ein­ stellbaren Widerstands in der anderen Brückenhälfte wird die Brücke nach einer Verschiebung des Magnetkerns wieder abgeglichen, wobei dann die Widerstandsänderung des einstellbaren Widerstands als Maß für die Lage des Magnetkerns herangezogen wird. In Reihe mit jeder Spule liegt ferner ein temperaturabhängiger ohmscher Wider­ stand, dessen Temperaturabhängigkeit entgegengesetzt zu der des ohmschen Widerstands der jeweiligen Spule ge­ wählt ist. Während die parallel zu den Spulen liegenden ohmschen Widerstände zur Phasenkompensation dienen, sollen die temperaturabhängigen Widerstände eine Tem­ peraturänderung der ohmschen Widerstände der Spule aus­ gleichen. Die Ausbildung eines temperaturabhängigen Widerstands, dessen Temperaturabhängigkeit derjenigen des ohmschen Widerstands der Spule genau entgegenge­ setzt ist, ist jedoch sehr aufwendig und läßt sich nicht mit hoher Genauigkeit durchführen, abgesehen da­ von, daß eine Temperaturabhängigkeit der Induktivitäten der Spule auf diese Weise nicht kompensiert werden kann, insbesondere wenn der induktive Widerstand sehr viel größer als der ohmsche Widerstand der Spule ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anord­ nung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine genauere Lagemessung, unabhängig von Umwelteinflüssen, insbesondere von Änderungen der Temperatur, ermöglicht.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens zwei Meßstellen des Gegenstands jeweils ein Sensorpaar zugeordnet ist, daß die Sensoren jedes Sen­ sorpaares in verschiedenen Brückenzweigen derselben Brückenhälfte, bei gleichen Widerständen in den Brücken­ zweigen der anderen Brückenhälfte, oder in verschie­ denen Brückenzweigen jeweils einer der beiden Brücken­ hälften, aber auf verschiedenen Seiten des Querzweigs angeordnet sind, und daß die Sensoren derart relativ zum Gegenstand angeordnet sind, daß eine Bewegung des Gegenstands relativ zu den Sensoren gegensinnige Ände­ rungen der Widerstände der Sensoren jedes Sensorpaares bewirkt.

Bei dieser Ausbildung ergibt sich zwar eine Brückenver­ stimmung bei einer Bewegung des Gegenstands, dessen Lage gemessen werden soll, jedoch nicht bei einer Ände­ rung von Umwelteinflüssen, wie der Temperatur, dem Druck, elektromagnetischen Feldern, der Feuchtigkeit, einer Verschmutzung, des Lichtes, einer ionisierten Strahlung, einer Vibration und dergleichen, am Ort ei­ nes Sensorpaares, das einer Meßstelle zugeordnet ist.

Bei den Sensoren kann es sich um veränderbare ohmsche, kapazitive, induktive, magnetische, lichtempfindliche, Licht- oder Strömungs-Widerstände handeln. Gegebenen­ falls erzeugt die Stromquelle einen elektrischen Strom, einen Fluidstrom, einen Lichtstrom oder einen magneti­ schen Fluß.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Meßwandler um ei­ nen Differenzverstärker, der es ermöglicht, auch kleine Brückenverstimmungen zu verstärken und zur Anzeige zu bringen.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste­ hend anhand von Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbei­ spiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schieberven­ tils mit einem Teil einer erfindungsgemäßen Meß­ anordnung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer elektrischen Meßbrücke, die bei der Anordnung nach Fig. 1 verwendet werden kann,

Fig. 3 ein Schaltbild einer anderen elektrischen Meß­ brücke, die bei der Anordnung nach Fig. 1 ver­ wendet werden kann,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines anderen Schieberventils mit einem Teil einer anderen erfindungsgemäßen Anordnung, die mehreren Meß­ stellen zugeordnet ist, und

Fig. 5 ein Schaltbild einer elektrischen Meßbrücke für die Anordnung nach Fig. 4.

Bei dem Anwendungs- und Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Gegenstand, dessen Lage gemessen werden soll, der schematisch dargestellte Schieber 1 in einem sche­ matisch dargestellten Gehäuse 2 eines Schieberventils. Die Steuerkanten und Öffnungen des Schieberventils sind zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen.

Die Enden des Schiebers 1 sind jeweils von einem Ring 3 aus magnetisch leitendem Material umgeben, wobei die Ringe 3 mit der zylindrischen Oberfläche des Schiebers 1 bündig sind.

Die Enden des Schiebers 1 ragen mit den darin eingebet­ teten magnetisch leitenden Ringen 3 jeweils in ein Sen­ sorpaar S11, S12 bzw. S21, S22 in Form von elektrischen Spulen, die in der Innenseite des Gehäuses 2 an dessen Enden eingebettet und mit der Innenfläche der den Schieber 1 aufnehmenden Bohrung bündig sind. Die Senso­ ren S11, S12 und S21, S22 jedes Paares sind jeweils einer Meßstelle des Schiebers 1 zugeordnet und unmit­ telbar nebeneinander angeordnet.

Die Sensoren S11, S12, S21 und S22 sind alle gleich ausgebildet, so daß sie in der relativ zu den Sensoren zentrierten Lage des Schiebers 1 nach Fig. 1 alle die gleiche Induktivität und mithin den gleichen induktiven Widerstand und den gleichen ohmschen Widerstand aufwei­ sen. Wenn der Schieber 1 dagegen nach rechts in Fig. 1 verschoben wird, nehmen die Induktivitäten der Spulen der Sensoren S11 und S21 um den gleichen Betrag ab, während die Induktivität der Spulen der Sensoren S12 und S22 um den gleichen Betrag wie die der Spulen der Sensoren S11 und S21 zunehmen. Bei Verschiebung des Schiebers 1 in entgegengesetzter Richtung, d. h. nach links in Fig. 1, ändern sich die Induktivitäten umge­ kehrt.

Das Schaltbild nach Fig. 2 veranschaulicht eine mögli­ che Anordnung der Sensoren S11, S12, S21, S22 in einer Meßbrücke, die zwei parallel an einer Stromquelle 4 angeschlossene Brückenhälften 5 und 6 aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Brückenzweigen 7 und 8 bzw. 9 und 10 und einen die Verbindung 11 der Brückenzweige 7 und 8 der einen Brückenhälfte 5 mit der Verbindung 12 der Brückenzweige 9 und 10 der anderen Brückenhälfte ver­ bindenden Querzweig 13 mit einem Meßwandler 14 in Form eines Differenzverstärkers aufweist. Der Brückenzweig 7 wird durch einen festen oder fest eingestellten, weit­ gehend temperaturunabhängigen ohmschen Widerstand 15 und der Brückenzweig 8 durch einen weiteren ohmschen Widerstand 16 gebildet, der mit dem Widerstand 15 iden­ tisch ist.

Im Brückenzweig 9 liegen die Sensoren S11 und S21, de­ ren Widerstände sich bei einer Verschiebung des Schie­ bers 1 in der einen Richtung gleichsinnig ändern, in Reihe, während die Sensoren S12, S22, deren Widerstände sich bei derselben Verschiebung des Schiebers 1 entge­ gengesetzt zu denen der Sensoren S11, S21 ändern, im anderen Brückenzweig 10 in Reihe liegen.

Aus dem Schaltbild nach Fig. 2 ist ersichtlich, daß das Potential der Verbindung 12 bei einer Änderung der Tem­ peratur an der Meßstelle, der das Sensorpaar S11, S12 zugeordnet ist, oder bei einer Änderung der Temperatur an der Meßstelle, der das Sensorpaar S21, S22 zugeord­ net ist, unverändert bleibt, weil die Widerstandsände­ rung der in den verschiedenen Brückenzweigen 9 und 10 liegenden Sensoren derselben Meßstelle gleich ist.

Wenn dagegen der Schieber 1 verschoben wird, ändert sich der Gesamtwiderstand in dem einen Brückenzweig 9 entgegengesetzt zu dem des anderen Brückenzweigs 10, so daß sich auch das Potential der Verbindung 12 ändert und mithin am Ausgang des durch den Differenzverstärker gebildeten Meßwandlers 14 ein Signal auftritt, das der Verschiebung des Schiebers 1 entspricht.

Die Stromquelle 4 hat eine weitgehend konstante Aus­ gangsspannung, die unabhängig von einer durch die Ände­ rung der Widerstände bewirkten Belastungsänderung ist.

Die andere mögliche Ausbildung einer Meßbrücke für die Anordnung nach Fig. 1 ist in Fig. 3 dargestellt. Sie unterscheidet sich von der nach Fig. 2 nur dadurch, daß die Widerstände 15 und 16 weggelassen und statt dessen die Sensoren so auf alle Brückenzweige 7 bis 10 ver­ teilt sind, daß die Sensoren S11 und S12 bzw. S21, S22 jedes Sensorpaares in verschiedenen Brückenzweigen 7 und 8 bzw. 9 und 10 jeweils einer der beiden Brücken­ hälften 5 und 6, aber auf verschiedenen Seiten des Querzweigs 13 angeordnet sind. Wenn sich bei dieser Anordnung die Temperatur an einer oder beiden Meßstel­ len, denen jeweils eines der beiden Sensorpaare zuge­ ordnet ist, ändert, bleibt die Potentialdifferenz zwi­ schen den Verbindungen 11 und 12 unverändert. Dagegen ändert sich die Potentialdifferenz zwischen den Verbin­ dungen 11 und 12, wenn sich der Schieber 1 verschiebt. Beispielsweise steigt das Potential der Verbindung 11 bei einer Verschiebung des Schiebers 1 nach rechts an, während das Potential der Verbindung 12 bei der glei­ chen Verschiebung abnimmt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind mehrere Sensorpaare S11, S12; S21, S22; S31, S32; S41, S42; S51, S52; . . . .; Sn1, Sn2 in einer Reihe in Längsrich­ tung des Schiebers 1 angeordnet, so daß jedes Sensor­ paar einer anderen Meßstelle des Schiebers 1 zugeordnet ist.

Fig. 5 stellt ein Schaltbild einer Meßbrücke dar, in der die Sensorpaare nach Fig. 4 sinngemäß ebenso wie in Fig. 2 angeordnet sind. D.h. der eine Sensor jedes Paa­ res liegt im Brückenzweig 9 und der andere Sensor jedes Paares im Brückenzweig 10 derselben Brückenhälfte 6. Im übrigen entspricht das Schaltbild dem nach Fig. 2. Auch die Wirkungsweise der Meßbrücke nach Fig. 5 ist prin­ zipiell die gleiche wie die nach Fig. 2.

Weitere Abwandlungen können beispielsweise darin beste­ hen, daß anstelle der ohmschen Widerstände 15 und 16 kapazitive oder induktive Widerstände vorgesehen sind.

Ferner können auch die Sensoren veränderbare ohmsche, kapazitive, induktive, magnetische, lichtempfindliche, Licht- oder Strömungs-Widerstände aufweisen, wobei dann die Widerstände 15 und 16 entsprechend ausgebildet sind, d. h. im Falle der Ausbildung der Sensoren als magnetische Widerstände wären die Widerstände 15 und 16 magnetische Widerstände und die Verbindungsleitungen magnetische Leiter, im Falle der Ausbildung der Senso­ ren als Lichtwiderstände wären die Widerstände 15 und 16 als Lichtwiderstände und die Leitungen als Lichtlei­ tungen auszubilden, dagegen wären im Falle der Ausbil­ dung der Sensoren als Strömungswiderstände die Wider­ stände 15 und 16 als Strömungs-Widerstände, z. B. Dros­ seln, und die Verbindungsleitungen als Rohrleitungen ausgebildet. Bei der Stromquelle 5 würde es sich dann um eine entsprechende magnetische, Licht- bzw. Strömungsquelle handeln. Entsprechendes gilt auch für den Meßwandler 14.

Bei dem beweglichen Gegenstand, dessen Lage gemessen werden soll, kann es sich anstelle des Schiebers eines Schieberventils um irgendeinen anderen beliebigen Ge­ genstand handeln, wobei dann die Widerstände der Senso­ ren, wenn es sich nicht um Spulen handelt, entsprechend einstellbar auszubilden sind.

Claims (3)

1. Anordnung zum Messen der Lage eines beweglichen Ge­ genstands (1), insbesondere für einen Lageregel­ kreis, mit wenigstens einer Meßbrücke, die zwei parallel an einer Stromquelle (4) anschließbare Brückenhälften (5, 6) aus jeweils zwei in Reihe geschalteten Brückenzweigen (7, 8; 9, 10) und einen die Verbindung (11) der Brückenzweige (7, 8) der einen Brückenhälfte (5) mit der Verbindung (12) der Brückenzweige (9, 10) der anderen Brückenhälfte (6) verbindenden Querzweig (13) mit einem Meßwandler (14) aufweist, wobei in den Brückenzweigen (9, 10) wenigstens der einen Brückenhälfte (6) jeweils ein Sensor (S11, S12) mit einem in Abhängigkeit von der Lage des Gegenstands (1) veränderbaren Widerstand angeordnet ist und die Sensoren gleich sind, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Meßstel­ len des Gegenstands (1) jeweils ein Sensorpaar (S11, S12; S21, S22; . . . ; Sn1, Sn2) zugeordnet ist, daß die Sensoren (S11, S12; Sn1, Sn2) jedes Sensor­ paares in verschiedenen Brückenzweigen (9, 10) der­ selben Brückenhälfte (6), bei gleichen Widerständen (15, 16) in den Brückenzweigen (7, 8) der anderen Brückenhälfte, oder in verschiedenen Brückenzweigen (7, 8; 9, 10) jeweils einer der beiden Brückenhälf­ ten (5, 6), aber auf verschiedenen Seiten des Quer­ zweiges (13) angeordnet sind, und daß die Sensoren (S11, S12 . . . Sn1, Sn2) derart relativ zum Gegen­ stand (1) angeordnet sind, daß eine Bewegung des Gegenstands (1) relativ zu den Sensoren gegensinni­ ge Änderungen der Widerstände der Sensoren jedes Sensorpaares bewirkt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren veränderbare ohmsche, kapazitive, induktive, magnetische, lichtempfindliche, Licht- oder Strömungs-Widerstände aufweisen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßwandler (14) ein Differenzver­ stärker ist.