DE4001544A1 - Messeinrichtung zur bestimmung eines drehwinkels - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer aus der nachveröffentlichten DE-OS 38 24 535.3 bekannten Meßeinrichtung ist in einem zylinderförmigen Spulenkörper von einer Stirnseite her eine mittige Längsnut ausgebildet. Dadurch entstehen zwei im Querschnitt halbkreisförmige Kerne, auf die je eine Spule gewickelt ist. Ein zur Dämpfung dienendes Meßteil besteht aus elektrisch leitendem und/oder ferromagnetischem Stoff. Es umschließt wenigstens teilweise in axia­ ler Länge die außen liegenden Spulenbereiche. Die Spulen werden von einem Wechselstrom durchflossen. Durch die relative Verdrehung des Meßteils wird das Überdeckungsverhältnis zwischen dem Meßteil und den Spulen jeweils gegensinnig verändert, wodurch der Wechselstrom­ widerstand der Spulen entsprechend variiert wird. Diese Meßeinrich­ tung hat den Nachteil, daß bei feststehenden Spulenkernen die Spulen von einer Wickelmaschine nur nacheinander aufgewickelt werden kön­ nen. Die Wickeltechnik und somit die Herstellung der Meßeinrichtung ist dadurch aufwendig.

Ferner ist aus der ebenfalls nachveröffentlichten DE-OS 38 24 534.5 eine Meßeinrichtung zur berührungslosen Messung einer Weg- und/oder Winkeländerung bekannt, bei der auf einem scheibenförmigen Körper mindestens zwei Spulen in Ätztechnik aufgebracht sind. Die geätzten Spulen können aber nur in einem begrenzten Frequenzbereich des die Spulen durchfließenden Wechselstroms eingesetzt werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkma­ len des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Spulen fertigungstechnisch einfach hergestellt werden können. Durch die axiale Versetzung der beiden Spulenkörper können beide Wicklungen mit Hilfe einer einzigen Wickelmaschine gleichzeitig ausgeführt wer­ den. Ferner können drahtgewickelte Spulen im Unterschied zu geätzten Spulen in einfacher Weise in einem weiten Frequenzbereich, zum Bei­ spiel von 5 kHz bis 5 MHz betrieben werden. Alleine durch Änderung des Durchmessers des Spulendrahtes und der Wicklungsanzahl der Spule kann trotz relativ kleiner Bauweise des Spulenkörpers die Spule der gewünschten Frequenz angepaßt werden. Insbesondere, wenn die Draht­ spulen eine hohe Windungszahl aufweisen, ist die Fertigung einfacher gegenüber mehrlagig geätzten bzw. gedruckten Spulen. Die Ausbildung vereinfacht somit die Herstellung der Meßeinrichtung. Ferner können die beiden Spulen an beiden Stirnseiten und/oder den Umfangsseiten mit Meßteilen aus verschiedenem Material überdeckt werden, so daß zur Meßsignalgewinnung die gegensätzliche Wirkung des sogenannten ferromagnetischen Effekts und des Wirbelstromeffekts ausgenutzt wer­ den kann. Die auf den Einbau zurückzuführenden Meßfehler sind rela­ tiv gering.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Meßeinrich­ tung möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Meßeinrichtung, Fig. 2 einen Schnitt in Richtung 11-11 nach Fig. 1, Fig. 3 eine Draufsicht in Richtung A nach der Fig. 1, die Fig. 4, 5; 6, 7; 7a; 8, 9; 10, 11; 12, 13 jeweils eine Abwandlung der Meßeinrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist mit 10 ein Sensor bezeichnet, der einen aus vor­ zugsweise elektrisch nicht leitendem Material bestehenden Spulenkör­ per 11 aufweist. Dieser besteht aus zwei in axialer Richtung ver­ setzt angeordneten Kernen 12, 13, die im Querschnitt gesehen annä­ hernd halbkreisförmige Form oder D-förmige Form aufweisen. Es sind aber auch andere Kernformen denkbar. Ferner sind die Kerne 12, 13 um 180° in radialer Richtung zueinander versetzt angeordnet, so daß bei der D-förmigen Ausgestaltung der Kerne 12, 13 die ebenen Flächen zur Achse des Spulenkörpers 11 hin gerichtet sind. Auf jeden Kern 12, 13 ist jeweils eine Drahtspule 14, 15 in Umfangsrichtung des Spulenkör­ pers 11 gewickelt. Durch die axial versetzten Kerne 12, 13 ist es möglich, in einer fertigungstechnisch sehr einfachen Weise beide Spulen mit einer Wickelmaschine ohne nennenswerten, zusätzlichen Um­ bau aufwickeln zu können. Insbesondere können beide Spulen 14, 15 gleichzeitig gewickelt werden, so daß nur ein einziger Arbeitsvor­ gang notwendig ist. Um den Spulenkörper 11 herum ist mit einem geringen Abstand ein aus elektrisch leitendem (ferromagnetisch und/oder nicht ferromagnetischem Stoff) oder aus ferromagnetischem Stoff bestehendes Meßteil 17 angeordnet, das als Hülsensegment aus­ gebildet ist und etwa in Umfangsrichtung gesehen den halben Umfang des Spulenkörpers überdeckt. Die axiale Länge d des Meßteils 17 sollte vorzugsweise mindestens die Breite e der Spulen 14, 15 und des sich zwischen den Spulen befindlichen Bereichs 18 des Spulenkörpers 11 aufweisen. lst die Länge d größer als die Länge e, so können keine bzw. nur geringe axiale Justierfehler des Meßteils 17 auftreten. Das Meßteil 17 ist über einen scheibenförmigen, oder wie in der Fig. 3 näher dargestellt, vorzugsweise mit Hilfe eines stabförmigen Trä­ gers 19 mit der Welle 20 verbunden, deren Drehbewegung bestimmt wer­ den soll. Die Welle 20 kann aber auch mit einem nicht dargestellten Bauteil verbunden sein, so daß die Drehbewegung dieses Bauteils er­ mittelt wird. Mit Hilfe des Sensors 10 können Drehbewegungen von 180° erfaßt werden. Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, der Träger 19 während der Mes­ sung dann vor dem Spulenkern 13 mit dem größeren axialen Abstand zum Träger bewegt wird. Dies hat den Vorteil, daß, wie aus der späteren Erläuterung der Funktionsweise ersichtlich wird, durch axiale Bewe­ gungen des Trägers 19 das Meßsignal nicht oder nur unwesentlich be­ einflußt wird. Ferner ist dabei deshalb auch darauf zu achten, daß der Träger 19 eine relativ geringe Breite aufweist.

In Ausgangsstellung ist das Meßteil 17 so ausgerichtet, daß es beide Spulen 14, 15 mit gleich großen Umfangflächen überdeckt, wie es an­ nähernd in der Fig. 3 dargestellt ist. Der Sensor 10 kann nach dem induktiven und/oder nach dem Wirbelstromprinzip arbeiten, wobei in beiden Fällen die Spulen 14, 15 von einem Wechselstrom durchflossen werden. Zur Messung wird das Meßteil 17 um den Spulenkörper 11 herum gedreht, bzw. um einen gewünschten Winkelbereich bewegt. lm folgen­ den sei das Wirbelstrommeßprinzip erläutert. An den Spulen 14, 15 entsteht ein magnetisches Wechselfeld, das auf der metallischen Oberfläche des Meßteils 17 Wirbelströme bewirkt. Je größer dabei die vom Magnetfeld durchsetzte Fläche des Meßteils 17 ist, desto mehr Wirbelströme werden erzeugt. Ferner ist die Größe der erzeugten Wir­ belströme abhängig vom verwendeten Material des Meßteils 17, sowie vom Abstand der Spule 15, bzw. 16 zu der Oberfläche des Meßteils 17. Durch die auf dem Meßteil 17 erzeugten Wirbelströme wird der Spu­ len-Wechselstromwiderstand verändert, was zur Meßsignalgewinnung ausgenutzt wird. Da sich ebenfalls die Spuleninduktivität verrin­ gert, kann auch diese Induktivitätsänderung zur Meßsignalgewinnung ausgenutzt werden (Spuleninduktivität-Auswerteverfahren). Bei der Drehbewegung des Meßteils 17 wird die der jeweiligen Spule 14 bzw. 15 zugeordnete Oberfläche des Meßteils 17 gegensinnig verän­ dert. Dadurch wird die der Spule 14 zugeordnete Oberfläche des Meß­ teils 17 zum Beispiel um denselben Betrag erhöht, wie sie gegenüber der anderen Spule 15 verringert wird. Die beiden Spulen 14, 15 sind - bei dem Spulenwechselstromwiderstand-Auswerteverfahren - in einer Wheatstone′schen Halbbrückenschaltung verschaltet. Dadurch kompen­ sieren sich die in den Spulen 14, 15 gleichzeitig auftretenden und gleichsinnig wirkenden Meßfehler. Ist die Breite e größer oder auch kleiner als die Breite d des Meßteils 17, so wirkt sich ein durch den Einbau verursachtes Axialspiel praktisch nicht oder nur sehr ge­ ringfügig als Fehler im Meßsignal aus. Der geringfügige Fehler wird dann vor allem durch den geänderten Abstand des Trägers 19 zu der Spule 14 bewirkt. Sind die Spulen 14, 15 aus Draht aufgewickelt, so können die Spulen 14, 15 in einem weiten Frequenzbereich des Wech­ selstroms betrieben werden. Dieser Bereich kann zum Beispiel unge­ fähr von 5 kHz bis 5 MHz reichen. Es genügt hierzu, den Durchmesser der Spulen oder die Windungsanzahl der Windungen der Spulen 14, 15 zu verändern (z. B. durch Variieren der Anzahl der Spulenlagen). In der Fig. 1 ist hierzu eine Ausbildung des Sensors 10 für eine nied­ rige Trägerfrequenz dargestellt. Hierzu müssen bei relativ kleinen radialen Abmessungen der Spulenkerne 12, 13 die Spulen über eine re­ lativ große Breite, das heißt in axialer Richtung z. B. pro Einzel­ spule 4 mm, gewickelt sein und auch eine hohe Windungsanzahl aufwei­ sen. Im Unterschied hierzu ist im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 eine Ausbildung des Sensors 10 für eine hohe Trägerfre­ quenz dargestellt. Hierbei können bei gleichen radialen Abmessungen wie im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 die Spulen über eine sehr kurze Breite und mit einer geringen Windungszahl gewickelt werden z. B. pro Einzelspule 1 mm. Mit geringen Änderungen im Monta­ geablauf kann somit ein Sensor für hohe und für niedrige Trägerfre­ quenzen hergestellt werden. Es braucht hierzu nur die axiale Länge der Kerne verändert zu werden. Durch Verändern der Anzahl der Spu­ lenlagen kann derselbe Effekt erzielt werden.

Werden die Spulen 14, 15 mit einer hohen Trägerfrequenz f_T (Fre­ quenz des Wirbelstromes, der die Spule durchfließt) von zum Beispiel 1 MHz gespeist, so wird die Ausbreitung der Wirbelströme stark durch den Skineffekt bestimmt. Dies bedeutet, daß das erzeugte elektromag­ netische Wechselfeld der Spulen 14, 15 nur auf der äußeren Schicht der den Spulen zugewandten Oberfläche des Meßteils 17 Wirbelströme ausbildet. Werden hingegen die Spulen 14, 15 mit einem Wechselstrom mit sehr tiefer Trägerfrequenz f_T von zum Beispiel < 5 kHz gespeist, so dringt das von den Spulen erzeugte magnetische Wechselfeld rela­ tiv tief in die den Spulen zugewandte Oberfläche des Meßteils 17 ein. Die Größe der Eindringtiefe der Wirbelströme hängt auch vom Ma­ terial des Meßteils 17 ab. Aufgrund der unterschiedlichen Trägerfre­ quenzen kann die Wandstärke des Meßteils 17 variiert werden. Ist zum Beispiel aufgrund der beschriebenen Verhältnisse eine sehr kleine Baugröße des Sensors 10 notwendig, so ist mit einer relativ hohen Trägerfrequenz zu arbeiten, während hingegen bei ausreichend großen Bauverhältnissen mit niedrigen Frequenzen gearbeitet werden kann.

Anstelle des bisher beschriebenen Wirbelstromprinzips kann auch das induktive Meßverfahren sinngemäß angewandt werden. Hierzu muß ledig­ lich das Meßteil 17 auf der den Spulen zugewandten Oberfläche aus ferromagnetischem Material bestehen. Hierzu kann das Meßteil 17 aus ferromagnetischem Material hergestellt sein, oder eine ferromagneti­ sche Schicht aufweisen. Im Unterschied zum Wirbelstromprinzip ist die Eindringtiefe des elektromagnetischen Wechselfelds der Spulen 14, 15 geringer. Während beim Wirbelstromprinzip die Spulenindukti­ vität verringert wird, kann sie sich beim induktiven Verfahren, ab­ hängig von den ferromagnetischen und elektrisch leitenden Eigen­ schaften des Materials (ferromagnetischer Effekt) erhöhen.

Bei entsprechender Abstimmung der wichtigsten Parameter (Höhe der Trägerfrequenz, Material des Meßteiles 17) kann erreicht werden, daß beim induktiven Verfahren sich der Wechselstrom-Widerstand erhöht, während er sich beim Wirbelstromverfahren erniedrigt.

Im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 6 bzw. 7 ist der Spulenkör­ per 11 des Sensors 10 entsprechend den beiden bisherigen Ausfüh­ rungsbeispielen aufgebaut. Im Unterschied wird aber kein hülsenför­ miges Meßteil 17, das den Spulenkörper in Umfangsrichtung umgreift, verwendet. Das Meßteil, auf den sich die Wirbelströme ausbilden kön­ nen, besteht im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6 und 7 aus an den beiden Stirnseiten des Spulenkörpers 11 angeordnete, jeweils halbkreisförmige Scheiben 21, 22. Je nach dem, ob nach dem Wirbel­ stromprinzip oder nach dem induktiven Meßprinzip gearbeitet werden soll, sind die auch beim obigen Ausführungsbeispiel erwähnten Mate­ rialien für die Scheiben 21, 22 zu verwenden. Während bei den bishe­ rigen Ausführungsbeispielen das Meßsignal am Umfang der Spulen abge­ griffen wird, erfolgt beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6 und 7 die Meßsignalgewinnung jeweils durch die an den Stirnseiten angebrachten Scheiben 21, 22. Dabei ist aber darauf zu achten, daß die beiden Scheiben 21, 22 möglichst gleich ausgebildet sind und auf den beiden Stirnseiten deckungsgleich gegenüberliegend angeordnet sind.

Da das Meßsignal jeweils abhängig ist vom Abstand der Scheiben zu den Spulen, kann eine nahezu vollständige Unterdrückung des auf ei­ nen axialen Versatz der Meßscheiben 21, 22 zurückzuführenden Meßfeh­ ler erreicht werden, weil beide Meßscheiben fest mit der Welle 20 verbunden sind.

Ferner ist es möglich, wie in Fig. 7a dargestellt, die Scheiben als Segmente mit einem Winkel von größer als 180° auszubilden, z. B. 200°. Dadurch kann der (näherungsweise) lineare Bereich der Eichkennlinie erweitert werden.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 9 sind die beiden Scheiben 21, 22 als kreisförmige Scheiben 25, 26 ausgebildet. Sie bestehen dabei jeweils aus zwei gleich großen Segmenten 25a, b bzw. 26a, b. Die einen Segmente 25a bzw. 26a bestehen dabei aus ei­ nem Material zum Arbeiten nach dem Wirbelstromprinzip, während die anderen Segmente 25b bzw. 26b aus einem Material für das induktive Prinzip hergestellt sind. Die Segmente für ein Meßprinzip stehen sich dabei auf den beiden Stirnseiten jeweils gegenüber. Ferner sollten die Segmente jeweils gleich groß ausgebildet werden. Beste­ hen zum Beispiel die Segmente 25a, 26a aus ferromagnetischem Materi­ al, zum Beispiel Automatenstahl, und die Segmente 25b, 26b aus nicht ferromagnetischem, jedoch elektrisch leitfähigem Werkstoff, zum Bei­ spiel Aluminium, so können die gegensätzlichen Wirkungen des ferro­ magnetischen Effekts, der durch die Segmente 25b, 26b bewirkt wird und des Wirbelstromeffekts, der durch die Segmente 25a, 26b bewirkt wird, ausgenutzt werden. Dadurch kann - beim Spuleninduktivi­ täts-Auswerteverfahren - die Meßempfindlichkeit des Sensors erhöht werden, weil der ferromagnetische Effekt eine Erhöhung der lndukti­ vität der jeweiligen Spule bewirkt, ruft der Wirbelstromeffekt näm­ lich eine Verminderung der Induktivität dieser Spule hervor. Die beiden Effekte wirken also gegensätzlich. Entsprechendes gilt auch bei den anderen Auwerteverfahren (z. B. Auswertung der Spulenwechsel­ stromwiderstandswerte). Voraussetzung ist dabei jeweils, daß die Pa­ rameter (s. o.) so abgesimmt sind, daß sich die Meßsignale der ein­ zelnen Spulen gegensätzlich ändern.

Im Ausführunsbeispiel nach den Fig. 10 und 11 wird die konstruk­ tive Ausbildung nach den Fig. 1 bis 7 miteinander kombiniert. Das Meßteil 17a besteht dabei aus zwei an den beiden Stirnseiten ange­ ordneten halbkreisförmigen Scheiben 27, 28, die durch ein hülsenför­ miges Teil 29 in Umfangsrichtung des Spulenkörpers 11 miteinander verbunden sind. Dadurch ist es möglich, eine Wirbelstromausbildung in drei Seiten zu ermöglichen und somit ein relativ hohes Meßsignal zu erzeugen.

Soll analog dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 9 auch mit beiden Meßeffekten gearbeitet werden, so ist, wie in den Fig. 12 und 13 dargestellt, ein zusätzliches Meßteil 17b anzuordnen. Dabei besteht das eine Meßteil 17a aus dem für das Wirbelstrom­ meß-Verfahren notwendigen Material und das andere Meßteil 17b aus dem für das induktive Verfahren notwendigen Material. Der Meßeffekt entspricht dann wieder dem beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 9 beschriebenen Effekt.

Selbstverständlich ist es auch möglich, statt zwei Spulen zum Bei­ spiel vier oder eine andere größere Anzahl von Spulen zu verwenden, wodurch kleinere Meßwinkel bestimmt werden konnen. Hierzu ist eine entsprechende Anzahl jeweils in axialer Richtung versetzt angeordne­ ter Kerne zu verwenden. Bei vier Kernen sind diese dann in radialer Richtung um 90° zueinander versetzt anzuordnen. Auf jeden der Kerne ist dann eine Spule aufgewickelt, die in einer Wheatstone′schen Brückenschaltung verschaltet werden können.

Das Meßteil 17 kann eine Drehbewegung um 360° ausführen. Der eigent­ liche Meßbereich ist aber ungefähr auf die tangentiale Länge der Spulen begrenzt und wiederholt sich in der Form einer Dreieckspan­ nung abhängig von der Anzahl der Spulen immer wieder (bei vier Spu­ len max. ungefähr 90°).

Claims (10)

1. Meßeinrichtung (10) zur berührungsfreien Bestimmung eines Dreh­ winkels mit Hilfe zweier relativ zueinander bewegter Körper (11, 17) und mit Sensorspulen (14, 15), deren Induktivitäts- und Wechsel­ stromwiderstandswerte durch die relative Veränderung der Größe der den Spulen (14, 15) zugeordneten Bereiche aus elektrisch leitendem und/oder ferromagnetischem Material bestehenden Körpers (11, 17) variiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Körper (11) in eine der Anzahl der den Spulen (14, 15) entsprechenden Berei­ che (12, 13) unterteilt ist, auf denen je mindestens eine Spule an­ geordnet ist, daß diese Bereiche (12, 13) in axialer Richtung der Meßeinrichtung (10) versetzt sind und in radialer Richtung entspre­ chend der Anzahl der Bereiche (12, 13) um einen Winkel zueinander versetzt angeordnet sind und daß die Spulen (14, 15) Drahtspulen sind.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, in Umfangsrichtung um den ersten Körper (11) herum angeord­ nete Körper (17) mindestens einen Bereich aufweist, der mindestens teilweise die axiale Länge der dem ersten Körper (11) entsprechenden Länge der Spulen (12, 13) und eines Trennteils (18) hat.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der zweite Körper mit Hilfe eines stabförmigen Trägers (19) an einem drehbaren Bauteil (20) angeordnet ist.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Träger (19) im Bereich der von ihm am weitesten entfernten Spu­ le (14) befindet.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich an beiden Stirnseiten des ersten Körpers (11) je ein zweiter Kör­ per (19, 20) befindet und daß die zweiten Körper (19, 20) nahezu gleich ausgebildet sind und sich gegenüberstehen.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Körper aus einem Bereich aus einem ferromagnetischen und elektrisch leitenden oder ferromagnetischen Material und aus einem Bereich aus einem nicht ferromagnetischem, jedoch elektrisch leit­ fähigem Material besteht.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 5 und/oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bereiche aus gleichem Material sich gegenüberstehen.

8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Scheiben einen Winkelbereich von gleich oder größer als den einer Spule (15, 16) aufweisen.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die auf beiden Seiten des ersten Körpers angeordneten zweiten Körper (27, 28) durch ein Verbindungsteil (29) in Umfangs­ richtung des ersten Körpers verbunden sind.

10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Körper einen D-förmigen Querschnitt aufweist.