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Dokumentenidentifikation DE102006019393A1 25.10.2007
Titel Stellungsfühler
Anmelder Klaschka GmbH & Co KG, 75233 Tiefenbronn, DE
Erfinder Klaschka, Walter, Dr.-Ing., 75233 Tiefenbronn, DE
Vertreter Ostertag & Partner, Patentanwälte, 70597 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 24.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006019393
Offenlegungstag 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse G01B 7/02(2006.01)A, F, I, 20060424, B, H, DE
Zusammenfassung Ein Stellungsfühler umfaßt eine mit einer metallischen Geberplatte (10) zusammenarbeitende Spule (16), die zusammen mit einem Kondensator (18) einen LC-Schwingkreis (14) bildet. Die Spule (16) ist so frequenzbestimmendes Element eines Meßoszillators (26), der den LC-Schwingkreis (14) umfaßt. Das Ausgangssignal des Meßoszillators (26) wird zusammen mit dem Ausgangssignal eines Referenzoszillators auf einen Mischer (28) gegeben. Ein Tiefpass (32) extrahiert aus dem Mischer-Ausgangssignal die niederfrequente Seitenbande. Deren Frequenz wird in eine Spannung umgesetzt (34), die nach Linearisierung (Schaltkreise 36 bis 40) das Fühlerausgangssignal darstellt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Stellungsfühler gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Fühler sind in unterschiedlicher Ausführung auf dem Markt erhältlich und enthalten als durch das Eingangsglied betätigte Komponente einen variablen Widerstand, eine variable Induktivität oder eine variable Kapazität.

Derartige Stellungsfühler oder Stellungsschalter haben sich im Einsatz für solche Stellungsmessungen bewährt, bei denen das Eingangsglied im wesentlichen stetig und langsam betätigt wird.

Für manche Anwendungen, insbesondere die Stellungsmessung von verschiedenen rasch bewegten Maschinenteilen in Textilmaschinen, sind Stellungsfühler und Steuerungsschalter notwendig, die mit nur kurzen Zeitkonstanten arbeiten. Dies bedeutet, daß bei Verstellung des Eingangsgliedes innerhalb einer Zeit von Bruchteilen einer Millisekunde am Ausgang des Stellungsfühlers bzw. Stellungsschalters das der neuen Stellung entsprechende Ausgangssignal erhalten werden muß.

Für industrielle Anwendungen in Maschinen, in denen eine Vielzahl von Stellungen gemessen bzw. überwacht werden soll, ist ferner eine Anforderung an einen Stellungsfühler bzw. Stellungsschalter, daß er preisgünstig hergestellt werden kann.

Durch die vorliegende Erfindung soll die Aufgabe gestellt werden, einen Stellungsfühler oder Stellungsschalter der eingangs angesprochenen Art so weiterzubilden, daß bei geringen Herstellungskosten die Reaktionszeit des Fühlers vermindert ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Stellungsfühler bzw. Stellungsschalter mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Stellungsfühler bzw. Stellungsschalter ist der Meßoszillator so ausgebildet, daß er mit einer Frequenz mit mehr als 1 Mhz schwingt. Zur Realisierung derartiger Eigenfrequenzen können Kapazitäten und/oder Induktivitäten verwendet werden, die klein sind, also nur geringe elektrische Trägheit aufweisen.

Dadurch, daß man das vom eigentlichen Fühlelement abgegebene Fühlersignal mit dem Ausgangssignal eines Referenzoszillators mischt, erhält man neben einem (nicht verwendeten) oberen Seitenband ein niederfrequentes Seitenband, welches durch preiswerte elektronische Komponenten ausgewertet werden kann. Diese Auswertung erfolgt erfindungsgemäß unter Verwendung eines Tiefpasses und eines an diesen angeschlossenen Frequenz/Spannungswandlers.

Das Ausgangssignal des Frequenz/Spannungswandlers ist somit ein Maß für die Stellung des Eingangsgliedes und folgt Änderungen in der Stellung des Eingangsgliedes in sehr kurzem Zeitabstand von Bruchteilen einer Millisekunde.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 wird erreicht, daß die Stellung des Eingangsgliedes über den Stellhub hinweg eindeutig gemessen werden kann.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist dabei im Hinblick darauf von Vorteil, zu langsam erfolgende Signaländerungen in der hinter dem Tiefpass erfolgenden Auswertung zu vermeiden. Wählt man dabei die Zwischenfrequenz zu einem Zehntel oder einer Potenz hiervon, so lassen sich die entsprechenden Schaltkreise besonders einfach unter Verwendung von einer Standardkomponenten aufbauen, die typischerweise in Zehnerpotenzen gestuft sind. Bei digitaler Ausführung kann man die Differenz zwischen der Meßoszillatorfrequenz und der Referenzoszillatorfrequenz auch gleich einem ganzzahligen Vielfachen von 2 wählen, z.B. zu 128 oder 256.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 ist im Hinblick darauf vorteilhaft, den Einfluß der Art eines Metalles, welches Teil einer Bedämpfung für einen Schwingkreis darstellt, auszuräumen, da die Unterschiede zwischen den verschiedenen Metallen zu hohen Frequenzen hin verschwinden.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 ist im Hinblick auf eine gute Filterwirkung bei nur geringen Umladungsströmen von Vorteil.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 ist wiederum im Hinblick auf die Realisierung der verschiedenen Filterkettenglieder unter Verwendung von Standard-Baukomponenten von Vorteil.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 ermöglicht die Weiterverarbeitung des Ausgangssignales des Frequenz/Spannungswandlers auf digitalem Wege.

Dabei kann man gemäß Anspruch 8 auf digitalem Wege leicht eine Linearisierung des Fühlerausgangssignales (oder eine Logarithmierung oder andere Kennlinienumformung) bewerkstelligen, indem man das digitalisierte Ausgangssignal des Frequenz/Spannungswandlers zur Adressierung eines Kennlinienspeichers verwendet.

Bei einem Stellungsfühler bzw. Stellungsschalter nach Anspruch 8 erhält man ein z.B. linearisiertes analoges Ausgangssignal.

Ein Stellungsfühler gemäß Anspruch 10 kann als Schalter eingesetzt werden, der bei Erreichen einer vorgegebenen Stellung des Eingangsgliedes sein Ausgangssignal wechselt.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 ist im Hinblick auf das einfache Erzeugen einer elektromagnetischen Schwingung von Vorteil.

Dabei ist dann die Weiterbildung gemäß Anspruch 12 dahingehend von Vorteil, eine möglichst starke Änderung im Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Bewegung des Eingangsgliedes zu erhalten.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1: ein Blockschaltbild eines rasch ansprechenden Stellungsfühlers mit induktivem Fühlelement; und

2: das Schaltbild eines Tiefpasses, der in der Schaltung nach 1 verwendet wird.

In 1 ist mit 10 eine metallische Geberplatte bezeichnet, die senkrecht zur Plattenebene beispielsweise durch eine Stange 12 bewegbar ist.

Die Geberplatte 10 arbeitet mit einem insgesamt mit 14 bezeichneten LC-Kreis zusammen, der eine in der Bahn der Geberplatte 10 angeordnete Spule 16 und eine über deren Klemmen geschalteten Kondensator 18 aufweist.

Die Spule 16 kann in der Praxis durch eine einzige oder eine Mehrzahl im wesentlichen konzentrischer Leiterbahnen gebildet sein, die auf einer Leiterplatte ausgebildet sind. Der Kondensator 18 kann ein Keramikkondensator sein.

Die Größe des Kondensators 18 ist auf die Induktivität der Spule 16 so abgestellt, daß die Eigenfrequenz des LC-Kreises 14 über ein MHz liegt, üblicherweise zwischen 1 und 20 MHz. Es sind aber auch höhere Eigenfrequenzen des LC-Kreises 14 denkbar, bis hin zu 100 MHz oder mehr.

Zum Aufrechterhalten einer Schwingung im LC-Kreis 14 ist ein Verstärker 20 vorgesehen, dessen Eingang über einen Koppelkondensator 22 mit der in der Zeichnung oberen Klemme der Spule 16 verbunden ist, und dessen Ausgang über einen Rückkoppelkondensator 24 mit dem oberen Ende des LC-Kreises 14 verbunden ist, wie dargestellt.

Der Koppelkondensator 22 und der Rückkoppelkondensator 24 sind jeweils verglichen mit dem Kondensator 18 des LC-Kreises 14 klein.

Der Verstärker 20 hat einen Verstärkungsfaktor von deutlich mehr als 1, derart, daß er durch sein Eingangssignal rasch in die Sättigung getrieben wird, so daß man am Ausgang des Verstärkers 20 eine Rechteckspannung erhält.

Wie an sich von induktiven Gebern bekannt, ändert sich die Induktivität L der Spule 16 mit dem Abstand s zwischen der Geberplatte 10 und der Spule 16: L = L(s).

Die kleinste Induktivität erhält man für die am engsten der Spule 16 benachbarte Endstellung der Geberplatte 10, die größte Induktivität für weit von der Spule 14 entfernte Geberplatte 10. Entsprechend der Formel für die Eigenfrequenz eines LC-Kreises entspricht die der Spule 16 benachbarte Endstellung der Geberplatte 10 der höchsten im Betrieb erreichten Eigenfrequenzen des LC-Kreises, während die Eigenfrequenz des letzteren mit zunehmender Entfernung der Geberplatte 10 von der Spule 16 abfällt und sich dem asymtotischen Wert für große Abstände s annähert.

Das Signal an der oberen Klemme der Spule 16 ( = obere Klemme des Schwingkreises 14) gegen Erde wird nachstehend und in den Ansprüchen auch als Fühlersignal bezeichnet.

Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß die Komponenten 10 bis 24 insgesamt einen Mefloszillator 26 bilden, dessen Ausgangssignal von der Stellung s der Geberplatte 10 abhängt.

Das Rechteck-Ausgangssignal des Mefloszillators 26 wird auf den einen Eingang eines Mischers 28 gegeben, dessen zweiter Eingang vom Ausgang eines Referenzoszillators 30 her beaufschlagt ist. Der Mischer 28 kann ein Multiplikator, ein UND-Glied oder ein ODER-Glied oder ein von solchen abgeleitetes Verknüpfungsgleid sein.

Der Referenzoszillator 30 kann ein ähnlich wie der Meßoszillator 26 aufgebauter analoger Oszillator sein, bei welchem aber die Spule des LC-Kreises nicht mit einer Geberplatte zusammenarbeitet. Alternativ kann man als Referenzoszillator 30 auch einen quarzgesteuerten Oszillator verwenden.

Die Schwingungsfrequenz des Referenzoszillators 30 ist so eingestellt, daß sie größer bzw. kleiner ist als die höchste bzw. niederste Frequenz des Oszillators 26, die in der inneren Endstellung der Geberplatte 10 erhalten wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Frequenz des unteren Seitenbandes des Mischer-Ausgangssignales immer größer null ist und eindeutig der Stellng der Geberplatte zugeordnet ist.

In der Praxis kann man die Eigenfrequenz des Referenzoszillators 30 z.B. so wählen, daß ihr Abstand von der niedersten Eigenfrequenz des LC-Kreises 14 ein Hundertstel dieser Eigenfrequenz beträgt. Bei den hier betrachteten Spulengeometrien und Kapazitäten des LC-Kreises 14 ist dann die oben genannte Bedingung in der Regel erfüllt.

Falls gewünscht kann man in diesem Beispiel den Frequenzabstand des Referenzoszillators aber auch kleiner oder größer wählen, solange gewährleistet ist, daß die Frequenz des unteren Seitenbandes des Mischer-Ausgangssignales eindeutig von der Stellung der Geberplatte 10 abhängt und deutlich niederfrequenter ist als die Eigenfrequenz des LC-Kreises 14, so daß die weitere Signalverarbeitung durch Komponenten erfolgen kann, an deren Arbeitsgeschwindigkeit keine besonderen Anforderungen gestellt werden, so daß Standardkomponenten verwendet werden können.

Das Ausgangssignal des Mischers 28 wird auf einen Tiefpass 32 gegeben, dessen Grenzfrequenz gleich hoch oder geringfügig größer ist als die der unteren Seitenbande des Mischer-Ausgangssignales.

Das Ausgangssignal des Tiefpasses 32, dessen Frequenz sich gemäß dem Abstand s der Geberplatte 10 von der Spule 16 ändert, wird auf einen Frequenz/Spannungswandler 34 gegeben. Dessen Ausgangssignal ändert sich somit in Abhängigkeit vom Abstand s des Geberplatte 10 von der Spule 16.

Das Ausgangssignal des Frequenz/Spannungswandlers könnte schon als analoges Ausgangssignal des Stellungsfühlers verwendet werden.

Beim hier betrachteten Ausführungsbeispiel wird jedoch noch eine Linearisierung vorgenommen, um ein linear vom Abstand s abhängendes Ausgangssignal bereitzustellen.

Hierzu ist der Ausgang des Frequenz/Spannungswandlers 34 mit dem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 36 verbunden. Durch das Ausgangssignal des letzteren wird ein Linearisierungs-Kennlinienspeiche 38 adressiert, der nach Art eine Look-Up-Table arbeitet: Für jeden Eingangswert, der nicht notwendigerweise linear der Stellung der Geberplatte 10 zugeordnet ist, enthält der Linearisierungsspeicher 38 einen Wert, der in linearer Weise der Stellung s der Geberplatte zugeordnet ist.

Der linearisierte digitale Stellungswert, der vom Linearisierungs-Kennlinienspeicher 38 abgegeben wird, wird auf einen Digital/Analogwandler 40 gegeben, welcher auf einer Fühler-Ausgangsleitung 41 ein der Geberplattenstellung linear zugeordnetes analoges Ausgangssignal bereitstellt.

Der Ausgang des Digital/Analogwandlers 40 ist ferner mit einem Eingang eines Diskriminators 42 verbunden, dessen zweiter Eingang mit einem Referenzwert 44 verbunden ist.

Der Diskriminator 42 erzeugt somit ein hochpegeliges Ausgangssignal dann, wenn das Signal am Ausgang des Digital/Analogwandlers 40 einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dieses Signal wird auf einer Schalter-Ausgangsleitung 44 bereitgestellt.

2 zeigt Einzelheiten einer von vielen möglichen Ausführungsformen des Tiefpasses 32. Das Eingangssignal gelangt über eine Diode 54 auf einen ersten RC-Kreis 48, welcher einen Widerstand 50 und einen gegen Erde geschalteten Kondensator 52 umfaßt.

Ein zweitera RC-Kreis 48A, der ähnlich aufgebaut ist, umfaßt einen Widerstand 50A sowie einen Kondensator 52A. Ein eingangsseitiger Trennverstärker 54A ist mit dem Ausgang des RC-Kreises 48 verbunden.

Ähnlichen Aufbau weist ein RC-Kreis 48B auf, dessen Komponenten sinngemäß mit Bezugszeichen versehen sind.

Am Ausgang des RC-Kreises 48 ist ein weiterer Trennverstärker 56 vorgesehen.

Die RC-Kreise 48, 48A und 48B haben gleiche Zeitkonstante, wobei jedoch die Widerstände und die Kondensatoren sich von einem Kettenglied zum nächsten um den Faktor 10 unterscheiden. Ist der Wert des Widerstandes 50R und der Wert des Kondensators 52C, so beträgt der Widerstand 48A 10R und der Kondensator 52A C/10 und der Wert des Widerstandes 50b 100R und der Wert des Kondensators 52B C/100.

Derartige Eimerketten-Filter zeichnen sich durch gute Filtereigenschaften bei rascher Reaktion aus.

Wichtig bei derartigen Filtern ist, daß die Polzahl (Kettenlänge) nicht unter 3 beträgt. In der Praxis sind Polzahlen zwischen 3 und 8 gut geeignet.


Anspruch[de]
Stellungsfühler mit einem durch ein Eingangsglied (12) beeinflußbaren ohmschen, induktiven oder kapazitiven Fühlelement (16), welches als frequenzbestimmende Komponente in einen Meßoszillator (26) geschaltet ist, und mit einer Auswerteschaltung (2842), die in Abhängigkeit von einem durch das Fühlelement (16) bestimmten Fühlersignal arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz des Meßoszillators (26) mindestens 1 MHz beträgt, daß das Fühlersignal und das Ausgangssignal eines Referenzoszillators (30) auf die beiden Eingänge eines Mischers (28) gegeben werden, daß der Ausgang des Mischers (28) mit dem Eingang eines Tiefpasses (32) verbunden ist und daß an den Ausgang des Tiefpasses (32) ein Frequenz/Spannungswandler (34) angeschlossen ist. Stellungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Arbeitsfrequenz des Referenzoszillators (30) von der Eigenfrequenz des Meßoszillators (26) mindestens um den Frequenzhub des Meßoszillators (26) beim Durchlaufen des Stellhubes des Stellgliedes (16) unterscheidet. Stellungsfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzabstand zwischen Referenzoszillator (30) und Meßoszillator (26) im unbeeinflußten Zustand etwa 1/1000 bis 1/10, vorzugsweise etwa 1/100 der Frequenz des Meßoszillators (26) beträgt. Stellungsfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Meßoszillators (26) zwischen 1 MHz und 100 MHz, vorzugsweise zwischen 1 MHz und 20 MHz liegt. Stellungsfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpass (32) eine Kette von RC-Gliedern (48, 48A, 48B) gleicher Zeitkonstanten jedoch zunehmenden Widerstandes aufweist, wobei die Kettenlänge vorzugsweise 3 bis 10, nochmalsvorzugsweise 3 bis 8 beträgt. Stellungsfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Widerstände der aufeinanderfolgenden RC-Glieder (48, 48A, 48B) um den Faktor 2 bis 10 unterscheiden. Stellungsfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen an den Ausgang des Frequenz/Spannungswandlers (34) angeschlossenen Analog/Digitalwandler (36). Stellungsfühler nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Kennlinienspeicher (38), der durch das Ausgangssignal des Analog/Digitalwandlers (36) adressiert wird. Stellungsfühler nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen durch das Ausgangssignal des Kennlinienspeichers (38) beaufschlagten Digital/Analogwandler. Stellungsfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Spannungsdiskriminator (42), dessen einer Eingang mit dem Fühlersignal oder einem hiervon abgeleiteten Signal und dessen anderer Eingang mit einem Schaltschwellensignal (R) beaufschlagt ist. Stellungsfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßoszillator (26) ein Verstärkerelement (20) aufweist, dessen Eingang über ein Koppelelement (22) mit dem Ausgang des Fühlelementes (16) verbunden ist und dessen Ausgang über ein Rückkoppelelement (24) mit dem Ausgang des Fühlelementes (16) verbunden ist. Stellungsfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Koppelelement (22) und/oder Rückkoppelelement (24) durch einen Kondensator gebildet sind, dessen Kapazität klein ist verglichen mit der Kapazität eines Schwingkreiskondensators (18) des Meßoszillators (26).






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