DE10354375A1

DE10354375A1 - Berührungslos arbeitendes Wegmesssystem

Info

Publication number: DE10354375A1
Application number: DE10354375A
Authority: DE
Inventors: Felix Dr. Mednikov; Martin Dr. Sellen; Eduard Huber
Original assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2005-06-30
Also published as: EP1685365A2; CN101341377B; US20060202682A1; US7602175B2; WO2005052506A3; WO2005052506A2; CN101341377A

Abstract

Ein berührungslos arbeitendes Wegmesssystem mit einem eine mit Wechselstrom beaufschlagbare Messspule (1) aufweisenden Sensor (2), wobei die Messspule (1) mindestens zwei Spannungsabgriffe (7) aufweist, mit einem elektrisch und/oder magnetisch leitenden, dem Sensor (2) zugeordneten Messobjekt (4) und mit einer Auswerteschaltung (3), wobei der Sensor (2) und das Messobjekt (4) in Längsrichtung der Messspule (1) relativ zueinander verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (4) mindestens eine die Impedanz der Messspule (1) zwischen zwei Spannungsabgriffen (7) beeinflussende Markierung (8) aufweist, so dass die Auswerteschaltung (3) ein mit der Position des Messobjekts (4) in Bezug auf die Spannungsabgriffe (7) korrelierendes Ausgangssignal (9) liefert.

Description

Die Erfindung betrifft ein berührungslos arbeitendes Wegmesssystem mit einem eine mit Wechselstrom beaufschlagbare Messspule aufweisenden Sensor, wobei die Messspule mindestens zwei Spannungsabgriffe aufweist, mit einem elektrisch und/oder magnetisch leitenden, dem Sensor zugeordneten Messobjekt und mit einer Auswerteschaltung, wobei der Sensor und das Messobjekt in Längsrichtung der Messspule relativ zueinander verschiebbar sind.

Berührungslos arbeitende Wegmesssysteme sind seit Jahren aus der Praxis in unterschiedlichsten Ausführungsformen bekannt. Insbesondere sind berührungslose Wegmesssysteme mit einem mindestens eine Spule aufweisenden Sensor bekannt, also Wegmesssysteme, die entweder auf Wirbelstrombasis oder induktiv arbeiten.

Bekannte Anordnungen zur induktiven Wegmessung arbeiten beispielsweise nach dem LVDT-Prinzip (Linearer Variabler Differential Transformator) und umfassen eine Primär- und zwei Sekundärspulen, wobei die Primärspulen von einer Oszillatorelektronik mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz gespeist wird. Zwischen den in einem Gehäuse gekapselten Spulen wird ein ferromagnetischer Kern berührungslos geführt. In Abhängigkeit von der Position des Magnetkerns werden in den beiden Sekundärspulen Wechselspannungen induziert. Eine Verschiebung des Magnetkerns bewirkt in einer Sekundärspule eine höhere und in der anderen Sekundärspule eine niedrigere Spannung, wobei die Differenz aus beiden Sekundärspannungen der Kernverschiebung proportional ist. Problematisch ist hierbei, dass das eigentliche Messobjekt, dessen Bewegung detektiert werden soll, mechanisch mit dem Magnetkern verbunden werden muss, damit dieser die Messbewegungen aufnimmt. Die Verbindung kann beispielsweise geschweißt oder über ein Gewinde realisiert werden. Beide Varianten sind mechanisch äußerst aufwendig.

Aus der DE 42 25 968 A1 ist ein Wirbelstromsensor bekannt, bei dem ebenfalls bereits eine Messspule mit mehreren Spannungsabgriffen vorgesehen ist. Durch einen das Spulengehäuse mit Abstand umgreifenden Ring wird – in Abhängigkeit von der Position des Rings – die Teilimpedanz der Messspule zwischen zwei Spannungsabgriffen beeinflusst. Mit Hilfe einer Auswerteschaltung lässt sich daher die Position des Rings bezüglich der Spannungsabgriffe bestimmen. Dabei besteht auch hier der Nachteil, dass das eigentlich zu detektierende Messobjekt mechanisch aufwendig mit dem Ring verbunden werden muss.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein berührungslos arbeitendes Wegmesssystem der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass sich das Messobjekt als einfaches maschinenbauliches Teil definieren läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das in Rede stehende Wegmesssystems derart ausgebildet, dass das Messobjekt mindestens eine die Impedanz der Messspule zwischen zwei Spannungsabgriffen beeinflussende Markierung aufweist, so dass die Auswerteschaltung ein mit der Position des Messobjekts in Bezug auf die Spannungsabgriffe korrelierendes Ausgangssignal liefert.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass es äußerst aufwendig ist, ein spezielles mit der Messspule wechselwirkendes Bauteil – magnetischer Kern, Ring – vorzusehen, auf das die Bewegung des eigentlichen Messobjekts mittels einer mechanischen Verbindung übertragen wird. Durch das erfindungsgemäße Anbringen einer Markierung am Messobjekt, die die Impedanz der Messspule zwischen zwei Spannungsabgriffen beeinflusst, kann auf ein zusätzliches Bauteil verzichtet werden. Das Messobjekt kann als einfaches maschinenbauliches Teil unmittelbar – bei entsprechender Positionierung relativ zu der Messspule – aufgrund der am Messobjekt vorgesehenen Markierung mit der Messspule wechselwirken, so dass ein mit der Position des Messobjekts in Bezug auf die Spannungsabgriffe korrelierendes Ausgangssignal bereitgestellt wird.

In besonders vorteilhafter Weise könnte es sich bei der Markierung um einen Luftspalt handeln, da sich dieser besonders einfach, beispielsweise durch Fräsen oder durch Bohren, am Messobjekt erzeugen ließe. Zudem wäre das Messobjekt nur aus einem einzigen Material hergestellt, so dass insoweit die Herstellungskosten gegenüber bekannten Wegmesssystem erheblich reduziert wären.

Bevorzugt ist das Messobjekt als ein Rohr mit mindestens einem Luftspalt ausgeführt und parallel zur Achse der Messspule angeordnet. Im Zusammenhang mit einer achsparallelen Verschiebung des Rohrs führt die Anwesenheit des Luftspalts in einem der durch die Spannungsabgriffe definierten Abschnitte der Messspule zu einer Beeinflussung der Teilimpedanz des entsprechenden Spulenabschnitts, was zu entsprechenden Ausgangssignalen führt, die durch die Auswerteschaltung bereitgestellt werden.

Im Hinblick auf eine eindeutige Ermittlung der Position des Messobjekts könnte der Luftspalt eine maximal dem Abstand zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen entsprechende Breite aufweisen, so dass der Luftspalt zwischen zwei Spannungsabgriffen stets eindeutig lokalisierbar ist.

Im Hinblick auf einen möglichst großen Messbereich könnte die Länge des Rohrs in etwa der Länge der Messspule entsprechen. Für den Fall, dass das Rohr mindestens doppelt so lang ist wie die Messspule, ergäbe sich eine optimale Ausnutzung des Sensors. Der Messbereich wäre dann nämlich maximal und entspräche der Länge der Messspule.

In konstruktiv besonders einfacher Weise könnte das Rohr zwei einander gegenüberliegende Luftspalte aufweisen. Alternativ könnte das Rohr auch drei auf 120° zueinander versetzte Luftspalte aufweisen, wobei prinzipiell eine beliebige Ausgestaltung des Luftspalts/der Luftspalten denkbar ist. Eine Grenze im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung ist grundsätzlich nur durch die notwendige mechanische Festigkeit des Rohrs gegeben.

In einer konkreten Ausgestaltung könnte das Messobjekt aus einem ferromagnetischen Werkstoff, beispielsweise Eisen, hergestellt sein. In diesem Fall wäre bei einer Bewegung des Rohrs relativ zur Messspule die Teilimpedanz der Messspule in demjenigen Abschnitt, in dem sich der Luftspalt befindet, verringert, so dass zwischen den entsprechenden Spannungsabgriffen eine niedrigere Spannung abgegriffen würde als zwischen den übrigen Spannungsabgriffen.

Alternativ könnte das Messobjekt auch aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff, insbesondere aus Aluminium, hergestellt sein. Die Anwesenheit des Luftspalts in einem bestimmten Abschnitt der Messspule hätte dann eine Erhöhung der entsprechenden Teilimpedanz und folglich eine Erhöhung des entsprechenden Spannungswerts zur Folge. In beiden Fällen, d. h. sowohl bei ferromagnetischen als auch bei nicht ferromagnetischem Rohr könnte die Wandstärke des Rohrs derart gewählt sein, dass sie größer ist als die Eindringtiefe des Wirbelstroms.

Im Hinblick auf eine vielseitige Verwendbarkeit des Wegmesssystems könnte das Messobjekt im Inneren der Messspule verschiebbar sein. Ist das Messobjekt zudem als Rohr ausgebildet, so ergibt sich der ganz besondere Vorteil, dass das Innere des Rohrs gleichzeitig für andere Funktionen genutzt werden kann. Insbesondere könnte das Innere des Rohrs beispielsweise zur Kraftübertragung genutzt werden, indem durch das Rohr beispielsweise eine Welle oder ein Seil geführt wird. Denkbar wäre auch die Nutzung des Inneren des Rohrs als optischer Strahlengang oder zur Kühlung.

Abhängig vom konkreten Einsatz des Wegmesssystems und von speziellen Anforderungen an die Geometrie des Messobjekts könnte das Messobjekt außerhalb des Sensors verschiebbar sein, derart, dass das Messobjekt die Messspule umschließt.

Die Messspule könnte in einlagiger oder mehrlagiger Technologie hergestellt sein und um einen Spulenkörper gewickelt sein. In materialmäßiger Hinsicht bietet sich insbesondere ein Spulenkörper aus Kunststoff an. Zur Realisierung einer kompakten Bauform könnte der Spulenkörper in Form eines Kunststoffstabs ausgeführt sein, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das Messobjekt außerhalb des Sensors angeordnet ist.

Es wäre ebenfalls denkbar, den Spulenkörper aus einem elektrisch leitenden Werkstoff mit hohem spezifischem elektrischem Widerstand herzustellen, wobei sich hier insbesondere nicht magnetischer, rostfreier Stahl anbietet. In diesem Fall könnte die Wandstärke des Spulenkörpers derart gewählt sein, dass die Eindrifttiefe des elektromagnetischen Wechselfeldes kleiner ist als die Wandstärke des Spulenkörpers. Dieser Effekt könnte auch durch entsprechende Wahl der Frequenz der an die Messspule angelegten Wechselspannung erreicht werden.

Im Hinblick auf eine gute Handhabbarkeit des Sensors könnten der Spulenkörper und die Messspule in einem Gehäuse gekapselt sein. Dabei kann das Gehäuse beispielsweise aus Kunststoff oder einem anderen nicht ferromagnetischen Material, insbesondere einem rostfreien Stahl, hergestellt sein. Besonders im Zusammenhang mit einem innerhalb des Spulenkörpers geführten Messobjekt ließe sich dadurch ein kompakter gekapselter Sensor herstellen.

Die über die Spannungsabgriffe bereitgestellten und der Auswerteschaltung zugeführten Signale könnten in besonders einfacher Weise von der Auswerteschaltung als eine Ausgangsspannung bereitgestellt werden, die linear mit der Position des Luftspalts bzw. des Messobjekts variiert. Eine mögliche Auswerteschaltung ist ausführlich beispielsweise in der DE 42 25 968 A1 offenbart. Um eine möglichst gute Auflösung hinsichtlich der Positionsbestimmung des Messobjekts zu erhalten, könnte eine Verschachtelung der Spannungsabgriffe ineinander vorgesehen sein.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wegmesssystems,
2 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wegmesssystems und
3 in schematischer Darstellung ein rohrförmiges Messobjekt mit Luftspalt.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen berührungslos arbeitenden Wegmesssystems mit einem eine mit Wechselstrom beaufschlagbare Messspule 1 aufweisenden Sensor 2, einer mit dem Sensor 2 verbundenen Versorgungs-/Auswerteschaltung 3 und einem dem Sensor 2 zugeordneten, elektrisch und/oder magnetisch leitenden Messobjekt 4. Die Messspule 1 ist als Langspule, und zwar als Zylinderspule mit gleichmäßigen Wicklungen ausgeführt und ist auf einen Spulenkörper 5 gewickelt, wobei die Messspule 1 und der Spulenkörper 5 in einem Gehäuse 6 gekapselt sind. Über die Versorgungs-/Auswerteschaltung 3 wird die Messpule 1 mit zwei komplementären Wechselspannungen U₁ und U₂ gespeist.
Die Messspule 1 weist im hier gewählten Ausführungsbeispiel zwei Spannungsabgriffe 7 auf, so dass entsprechend der Anzahl der Spannungsabgriffe 7 Spannungswerte jeweils zwischen den einzelnen Spannungsabgriffen 7 abgreifbar und der Versorgungs-/Auswerteschaltung 3 zuführbar sind. Erfindungsgemäß weist das Messobjekt 4 eine die Impedanz der Messspule 1 zwischen zwei Spannungsabgriffen 7 beeinflussende Markierung 8 auf, so dass die Auswerteschaltung 3 ein mit der Position des Messobjekts 4 in Bezug auf die Spannungsabgriffe 7 korrelierendes Ausgangssignal 9 liefert.
Das Messobjekt 4, das berührungslos innerhalb der Messspule 1 geführt ist und mit geringem Abstand von dieser umschlossen wird, ist als Rohr 10 ausgeführt. Die Markierung 8 ist dabei in Form eines in das Rohr 10 gefrästen radialen Luftspalts 11 ausgebildet.
2 zeigt – schematisch – ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wegmesssystems, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf die gleichen Bauteile wie in 1 beziehen. Der wesentliche Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist, dass das Messobjekt 4 nicht innerhalb der Messspule 1 berührungslos geführt ist, sondern dass das Messobjekt 4 den Sensor 2 zylinderförmig mit geringem Abstand umschließt. Um auch bei dieser Ausführungsform eine kompakte Bauweise zu erreichen, ist die Messspule 1 auf einen stabförmigen Spulenkörper 5 gewickelt. Die Messspule 1 und der Spulenkörper 5 sind in einem aus Kunststoff gefertigten Gehäuse 6 gekapselt. Sowohl die Zuführungen zur Versorgung der Messspule 1 mit den beiden komplementären Wechselspannungen U₁ und U₂ als auch die Spannungsabgriffe 7 sind parallel zum stabförmigen Spulenkörper 5 von einer Stirnseite des Sensors 2 verlegt.
3 zeigt in einer Seitenansicht (a) und einer Draufsicht (b) schematisch ein Messobjekt 4 sowie eine konkrete Ausgestaltung des Luftspalts 11. Wie besonders deutlich in der Draufsicht zu erkennen ist, ist der Luftspalt 11 aus drei jeweils um 120° zueinander versetzten Materialaussparungen gebildet. Die drei mit α gekennzeichneten Bereiche, die drei Stege bilden, in denen das Rohr 10 in radialer Rich tung seine volle Materialstärke aufweist, sind prinzipiell nur durch die – in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung – notwendige mechanische Festigkeit des Messobjekts 4 begrenzt.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird einerseits auf den allgemeinen Teil der Beschreibung und andererseits auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass die zuvor rein willkürlich gewählten Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dienen, diese jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele einschränken.

Claims

Berührungslos arbeitendes Wegmesssystem mit einem eine mit Wechselstrom beaufschlagbare Messspule (1) aufweisenden Sensor (2), wobei die Messspule (1) mindestens zwei Spannungsabgriffe (7) aufweist, mit einem elektrisch und/oder magnetisch leitenden, dem Sensor (2) zugeordneten Messobjekt (4) und mit einer Auswerteschaltung (3), wobei der Sensor (2) und das Messobjekt (4) in Längsrichtung der Messspule (1) relativ zueinander verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (4) mindestens eine die Impedanz der Messspule (1) zwischen zwei Spannungsabgriffen (7) beeinflussende Markierung (8) aufweist, so dass die Auswerteschaltung (3) ein mit der Position des Messobjekts (4) in Bezug auf die Spannungsabgriffe (7) korrelierendes Ausgangssignal (9) liefert.
Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Markierung (8) um einen Luftspalt (11) handelt.
Wegmesssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (4) als ein Rohr (10) mit mindestens einem Luftspalt (11) ausgeführt ist.
Wegmesssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Luftspalt (11) des Messobjekts (4) maximal über den Abstand zwischen zwei benachbarten Spannungsabgriffen (7) erstreckt.
Wegmesssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (10) mindestens doppelt so lang ist wie die Messspule (1).
Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (10) zwei einander gegenüberliegende Luftspalte (11) aufweist.
Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (10) drei auf 120° versetzte Luftspalte (11) aufweist.
Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (4) aus einem ferromagnetischen Werkstoff gebildet ist.
Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (4) aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff, insbesondere aus Aluminium, gebildet ist.
Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Rohres (10) größer ist als die Eindringtiefe des Wirbelstroms.
Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (4) im Inneren der Messspule (1) verschiebbar ist.
Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (4) außerhalb des Sensors (2) verschiebbar ist.
Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (1) auf einen Spulenkörper (5) gewickelt ist.
Wegmesssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (5) aus Kunststoff hergestellt ist.
Wegmesssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (5) in Form eines Kunststoffstabs ausgeführt ist.
Wegmesssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (5) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand, insbesondere aus nicht magnetischem, rostfreiem Stahl, hergestellt ist.
Wegmesssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Spulenkörpers (5) größer ist als die Eindringtiefe des elektromagnetischen Wechselfeldes.
Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (5) und die Messspule (1) in einem Gehäuse (6) gekapselt sind.
Wegmesssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) aus Kunststoff, nicht ferromagnetischem Stahl oder dergleichen ausgeführt ist.
Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (9) als Ausgangsspannung bereitgestellt ist.
Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsabgriffe (7) ineinander verschachtelt sind.