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Title:
CONTACTLESS DISPLACEMENT MEASURING SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/052506
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a contactless displacement measuring system comprising a sensor (2) which contains a measuring coil (1) that can be subjected to an alternating current, said measuring coil (1) having at least two voltage taps (7). The system also comprises an electrically and/or magnetically conductive measurement object (4) that is allocated to the sensor (2) and an evaluation circuit (3). The sensor (2) and the measurement object (4) are displaceable in relation to one another in the longitudinal direction of the measuring coil (1). The invention is characterised in that the measurement object (4) has at least one marking (8) that influences the impedance of the measuring coil (1) between two voltage taps (7), so that the evaluation circuit (3) produces an output signal (9) that correlates with the position of the measurement object (4) in relation to the voltage taps (7).

Inventors:
MEDNIKOV FELIX (DE)
SELLEN MARTIN (DE)
HUBER EDUARD (DE)
Application Number:
DE2004/002408
Publication Date:
June 09, 2005
Filing Date:
October 28, 2004
Export Citation:
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Assignee:
MICRO EPSILON MESSTECHNIK (DE)
MEDNIKOV FELIX (DE)
SELLEN MARTIN (DE)
HUBER EDUARD (DE)
International Classes:
G01D5/20; (IPC1-7): G01B7/02
Foreign References:
DE4029633A11991-04-11
US5811969A1998-09-22
DE3703867A11988-08-18
Attorney, Agent or Firm:
ULLRICH & NAUMANN (Luisenstrasse 14, Heidelberg, 69115, DE)
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Claims:
Patentansprüche 1. Berührungslos arbeitendes Wegmesssystem mit einem eine mit Wechsel- strom beaufschlagbare Messspule (1) aufweisenden Sensor (2), wobei die Mess- spule (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 Ausgangs- signal (9) liefert.
2. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Markierung (8) um einen Luftspalt (11) handelt.
3. Wegmesssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mess- objekt (4) als ein Rohr (10) mit mindestens einem Luftspalt (11) ausgeführt ist.
4. 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.
5. Wegmesssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (10) mindestens doppelt so lang ist wie die Messspule (1).
6. Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (10) zwei einander gegenüberliegende Luftspalte (11) aufweist.
7. Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (10) drei auf 120° versetzte Luftspalte (11) aufweist.
8. Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (4) aus einem ferromagnetischen Werkstoff gebildet ist.
9. Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (4) aus einem nicht ferromagnetischen Werkstoff, insbesondere aus Aluminium, gebildet ist.
10. Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Rohres (10) größer ist als die Eindringtiefe des Wirbel- stroms.
11. Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich- net, dass das Messobjekt (4) im Inneren der Messspule (1) verschiebbar ist.
12. Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich- net, dass das Messobjekt (4) außerhalb des Sensors (2) verschiebbar ist.
13. Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich- net, dass die Messspule (1) auf einen Spulenkörper (5) gewickelt ist.
14. Wegmesssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spu- lenkörper (5) aus Kunststoff hergestellt ist.
15. Wegmesssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Spu- lenkörper (5) in Form eines Kunststoffstabs ausgeführt ist.
16. Wegmesssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spu- lenkörper (5) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand, insbesondere aus nicht magnetischem, rostfreiem Stahl, hergestellt ist.
17. Wegmesssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Spulenkörpers (5) größer ist als die Eindringtiefe des elektromag- netischen Wechselfeldes. 18. Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeich- net, dass der Spulenkörper (5) und die Messspule (1) in einem Gehäuse (6) gekapselt sind.
19. Wegmesssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Ge- häuse (6) aus Kunststoff, nicht ferromagnetischem Stahl oder dergleichen ausgeführt ist.
20. Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeich- net, dass das Ausgangssignal (9) als Ausgangsspannung bereitgestellt ist.
21. Wegmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeich- net, dass die Spannungsabgriffe (7) ineinander verschachtelt sind.
Description:

BERüHRUNGSLOS ARBEITENDES WEGMESSSYSTEM 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 un- terschiedlichsten 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 Oszilla- torelektronik mit einem Wechselstrom konstanter Frequenz gespeist wird. Zwischen den in einem Gehäuse gekapselten Spulen wird ein ferromagnetischer Kern berüh- rungslos 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 Se- kundärspule eine niedrigere Spannung, wobei die Differenz aus beiden Sekundär- spannungen 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 be- reits 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 Span- nungsabgriffen 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 Auswerte- schaltung 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-vorzuse- hen, auf das die Bewegung des eigentlichen Messobjekts mittels einer mechani- schen Verbindung übertragen wird. Durch das erfindungsgemäße Anbringen einer Markierung am Messobjekt, die die Impedanz der Messspule zwischen zwei Span- nungsabgriffen beeinflusst, kann auf ein zusätzliches Bauteil verzichtet werden. Das Messobjekt kann als einfaches maschinenbauliches Teil unmittelbar-bei ent- sprechender 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 Aus- gangssignal bereitgestellt wird.

In besonders vorteilhafter Weise könnte es sich bei der Markierung um einen Luft- spalt 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 ge- genüber 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 be- reitgestellt werden.

Im Hinblick auf eine eindeutige Ermittlung der Position des Messobjekts könnte der Luftspalt eine maximal dem Abstand zwischen zwei benachbarten Spannungsab- griffen entsprechende Breite aufweisen, so dass der Luftspalt zwischen zwei Span- nungsabgriffen 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 gegenü- berliegende Luftspalte aufweisen. Alternativ könnte das Rohr auch drei auf 120° zueinander versetzte Luftspalte aufweisen, wobei prinzipiell eine beliebige Aus- gestaltung 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 ferromagneti- schen 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 zwi- schen den entsprechenden Spannungsabgriffen eine niedrigere Spannung abgegrif- fen 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 ent- sprechenden Teilimpedanz und folglich eine Erhöhung des entsprechenden Span- nungswerts 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 Anfor- derungen 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 Werk- stoff 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 Spulenkör- pers. 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 zuge- führten 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 aus- führlich 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 nachfol- gende 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 Allge- meinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wegmesssystems, Fig. 2 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wegmesssystems und Fig. 3 in schematischer Darstellung ein rohrförmiges Messobjekt mit Luftspalt.

Fig. 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 Versor- gungs-/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 U, und U2 gespeist.

Die Messspule 1 weist im hier gewählten Ausführungsbeispiel zwei Spannungsab- griffe 7 auf, so dass entsprechend der Anzahl der Spannungsabgriffe 7 Span- nungswerte 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 Spannungsab- griffen 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.

Fig. 2 zeigt-schematisch-ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsge- mäßen Wegmesssystems, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf die gleichen Bauteile wie in Fig. 1 beziehen. Der wesentliche Unterschied zum Ausführungsbei- spiel gemäß Fig. 1 ist, dass das Messobjekt 4 nicht innerhalb der Messspule 1 be- rührungslos geführt ist, sondern dass das Messobjekt 4 den Sensor 2 zylinderförmig mit geringem Abstand umschließt. Um auch bei dieser Ausführungsform eine kom- pakte Bauweise zu erreichen, ist die Messspule 1 auf einen stabförmigen Spulen- körper 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.

Fig. 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 a gekenn- zeichneten Bereiche, die drei Stege bilden, in denen das Rohr 10 in radialer Richtung 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 erfin- dungsgemäßen 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.