DE4406417A1 - Einrichtung zum Messen eines Weges oder eines Winkels - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine bekannte Anordnung dieser Art (DE-PS 38 15 074) besteht aus zwei Paaren von auf der Innenwand eines zylinderförmigen Spulenträgers angeordneten rechteckigen Flachspulen, denen ein innerhalb des Spulenträgers drehbar gelagertes Innenelement aus elektrisch leitendem Material (Stromleitstück) gegenübersteht. Das Stromleitstück ist so geformt, daß es stets zweimal Teile je zweier nebeneinanderliegender Spulen bedeckt. Wird es relativ zum Spulenträger bewegt, verändert sich bei jeweils nebeneinanderliegenden Spulen das Verhältnis des vom Stromleitstück bedeckten Spulenflächenanteils, wobei sich die einer ersten Spule zugeordneten Oberfläche des Stromleitstücks jeweils um denselben Betrag erhöht, wie er in der nachfolgenden Spule verringert wird. Entsprechend ändert sich das Verhältnis der Spuleninduktivitäten, das als Meßgröße für die Auslenkung des Stromleitstücks gegenüber dem Spulenträger dient. Um ein möglichst fehlerfreies Meßergebnis zu erhalten, werden die Meßsignale jeweils gegenüberliegender Spulen addiert, die nachfolgender Spulen voneinander subtrahiert. Auf diese Weise können vor allem mechanisch bedingte Fehlereinflüsse, etwa durch ein Radialspiel des Stromleitstücks, wirkungsvoll unterdrückt werden.

Daneben wird die Genauigkeit der erhaltenen Meßergebnisse durch die systematische Lineargenauigkeit der Meßanordnung bestimmt, welche auch durch Berücksichtigung der Meßergebnisse mehrerer Spulen nicht verbesserbar ist. Untersuchungen haben gezeigt, daß Anordnungen mit rechteckigen Sensorspulen allgemein mit einem Linearitätsfehler behaftet sind. Um eine solche bekannte Anordnung für hochgenaue Meßaufgaben einzusetzen, bedarf es deshalb einer Kompensationseinrichtung, was in der Regel einen nicht akzeptablen Zusatzaufwand erfordert. Die vorstehend beschriebene Anordnung ist ferner zur Anwendung für rein translatorische Meßaufgaben nur bedingt geeignet, da die zweifache Auslegung von Sensorspulen und Stromleitstück zu einem vergleichsweise groß bauenden und aufwendig ausgebildeten Sensor führen würde.

Eine weitere bekannte Meßanordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs (EP-PS 211 901) besteht aus zwei halbkreisförmig ausgebildeten Flachspulen, welche in einer Ebene angeordnet sind, über der sich ein die Fläche einer Spule genau überdeckendes Metallteil dreht. Wird das Metallteil bewegt, vergrößert sich entsprechend seiner Auslenkung der überdeckte Flächenanteil einer Spule um denselben Betrag, um den er bei der anderen verringert wird. Als Meßgröße dient die Spuleninduktivität, welche durch Bestimmung der sich jeweils einstellenden Spulenresonanzfrequenz ermittelt wird. Auch diese Anordnung eignet sich für hochgenaue Messungen nur insoweit, als durch das Meßprinzip bedingte systematische Linearitätsfehler keine Rolle spielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Messen von Wegen oder Winkels anzugeben, deren Meßergebnisse eine gegenüber der mit bekannten Einrichtungen erzielbaren verbesserte Lineargenauigkeit aufweisen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Meßeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Durch die vorteilhafte Gestaltung der Meßspulen weist die Kennlinie einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung eine hervorragende Linearität auf. Bezüglich ihrer Herstellung und ihrer Anwendbarkeit besitzt sie alle Vorteile der bereits bekannten Einrichtungen, insbesondere ist sie sowohl als Weg- wie auch als Winkelsensor einsetzbar. Bei Anwendung als Winkelsensor können die Spulen sowohl flach in der Ebene des zu messenden Winkels als auch zylindrisch entlang des durch einen zu messenden Winkel bestimmten Kreisabschnitts angeordnet sein.

Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Zeichnung

Es zeigen

Fig. 1 ein Strukturschaubild einer Meßeinrichtung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 ein Strukturschaubild einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Meßeinrichtung,

Fig. 3 eine qualitative Gegenüberstellung der Kennlinien einer bekannten und einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Meßeinrichtung nach dem Stand der Technik. Sie besteht aus zwei entlang einer Auslenkungsrichtung S hintereinander angeordneten, rechteckförmigen Spulen 1, 3, einem gegenüber den Spulen 1, 3 verschiebbaren Dämpfungselement 2 aus einem metallischen Material sowie aus einer Auswerteeinheit 5 zur Ermittlung der Position des Dämpfungselements 2. Das Dämpfungselement 2 ist zweckmäßig als U-förmiger Bügel ausgebildet, der die Spulen 1, 3 auf beiden Seiten umgreift. Seine Größe ist so gewählt, daß er in den beiden Endlagen O, E des durch die Skala 4 angedeuteten Meßbereiches jeweils eine der Spulen 1, 3 vollständig oder zumindest näherungsweise vollständig überdeckt. Die dargestellte Meßeinrichtung 1 bis 5 arbeitet nach dem Wirbelstrommeßprinzip. Wird der Bügel 2 entlang der Richtung S gegenüber den Spulen 1, 3 verschoben, während in diesen ein Wechselstrom anliegt, werden im Bügel 2 Wirbelströme induziert. Dies entzieht den Magnetfeldern der Spulen 1, 3 Energie, wodurch sich die Induktivitäten der Spulen 1, 3 ändern. Das Maß der Induktivitätsänderung dient als Meßgröße. Der Wert der Spuleninduktivität hängt dabei von der Größe desjenigen Teils der Spulen 1, 3 ab, den der Meßbügel 2 gerade überdeckt.

Zur Ermittlung der Lage des Bügels 2 wird in der Auswerteeinheit 5 zweckmäßig in bekannter Weise die Induktivität der Spulen 1, 3 bestimmt. Alternativ kann die Lageermittlung aber beispielsweise auch durch Bestimmung des Spulenwechselstromwiderstandes erfolgen.

Genaue Untersuchungen haben gezeigt, daß die mit Anordnungen gemäß Fig. 1 erzielten Meßergebnisse vor allem bei Verwendung von Spulen 1, 3 mit breiten Kernen zum Teil bedeutende Linearfehler liefern. Dies ist in Fig. 3 anhand der Kurve 7 graphisch veranschaulicht, aufgetragen ist die Spuleninduktivität L [Mikrohenry] einer rechteckigen Spule 1 gemäß Fig. 1 über der Ortsauslenkung S [Meter]. Mit E ist die maximale Auslenkung bezeichnet, s₁ und s₂ begrenzen den für die Messung brauchbaren, näherungsweise linearen Bereich der Kennlinie. Zur Verdeutlichung der Abweichung ist ein ideallinearer Kennlinienverlauf durch die gestrichelte Linie 6 angedeutet. Die Abweichung ist im wesentlichen abhängig von der Kernbreite a einer Spule 1, 3, als typische Abweichung von der Idealkennlinie wurden Werte von etwa 2% ermittelt.

Eine wesentliche Verbesserung der Lineargenauigkeit der Kennlinie liefert eine gemäß Fig. 2 mit trapezförmig ausgebildeten Spulen 1, 3 aufgebaute Meßeinrichtung. Beide Spulen 1, 3 sind so angeordnet, daß sich ihre Kernbreite b entlang der Auslenkungsrichtung S verändert. Dabei liegen sie mit den langen Grundlinien der Trapeze aneinander, die kurzen Grundlinien bilden näherungsweise die Meßbereichsgrenzen O, E. Entsprechend der Spulengeometrie nimmt bei Auslenkung des Bügels 2, beispielsweise von der Endlage O in Richtung auf die Endlage E, die Kernbreite b der Spule 1 mit abnehmender Überdeckung durch den Bügel zu, die Kernbreite b′ der Spule 3 mit zunehmender Überdeckung ab. Analog umgekehrte Verhältnisse gelten bei Auslenkung von der Endlage E in Richtung auf die Endlage O.

Eine Anordnung gemäß Fig. 2 weist damit einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Position des Bügels 2 und der überdeckten Spulenfläche auf. Dieser liefert bei richtiger Trapez-Geometrie dennoch eine sehr gut lineare Spulenkennlinie.

Der für die Trapezform der Spulen 1, 3 charakteristische Winkel α wird zweckmäßig experimentell unter Berücksichtigung der gewünschten Länge des linearen Meßbereichs, s₁,s₂ und in Abhängigkeit von der größten Breite der Spulenkerne ermittelt. Sollte mit einer strengen Trapezform der Spulen 1, 3 eine gewünschte Lineargenauigkeit nicht erreichbar sein, ist es zur weiteren Linearisierung der Kennlinie möglich, die parallelen Stirnseiten der Spulentrapeze nicht durch Geraden, sondern durch leicht konkave oder konvexe Kurven zu verbinden.

Die vorgeschlagene Spulenformgebung liefert für jede Spule 1, 3 an sich eine lineare Kennlinie. Für Meßaufgaben, bei denen etwa eine Temperaturdriftkompensation mittels zweier Spulen verzichtbar ist, kann deshalb auch eine Meßanordnung mit nur einer Spule eingesetzt werden. Sie ergäbe sich zum Beispiel aus der Anordnung nach Fig. 2 durch Weglassen der Spule 3.

Claims (4)

1. Einrichtung zum Messen eines Weges oder eines Winkels, mit wenigstens einer Spule, einem gegenüber der Spule beweglichen Dämpfungselement aus elektrisch leitfähigem Material, sowie einer Vorrichtung zum Bestimmen der Spuleninduktivität in Abhängigkeit von der Lage des Dämpfungselements relativ zur Spule, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Spule (1) näherungsweise die Form eines Trapezes hat, dessen Grundlinien senkrecht zur Richtung der Relativbewegung von Spule und Dämpfungselement angeordnet sind, und dessen Breite sich entlang dieser Richtung verändert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundlinienseite der Spule (1) näherungsweise einer Endlage (O) des Meßbereichs (O, E) entspricht und die Relativbewegung von Spule (1) und Dämpfungselement (2) so erfolgt, daß die Überdeckung der Spule (1) durch das Dämpfungselement (2) mit zunehmender Auslenkung in Richtung auf die andere Endlage (E) des Meßbereichs abnimmt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (b) der Spule (1) mit abnehmender Überdeckung durch das Dämpfungselement (2) zunimmt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer ersten, näherungsweise trapezförmigen Spule (1) eine zweite Spule (3) nachgeordnet ist, welche gleichfalls näherungsweise die Form eines Trapezes hat, dessen Breite (b′) mit zunehmender Überdeckung durch das Dämpfungselement (2) abnimmt.