DE10012202C2 - Einrichtung zur Erfassung von Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und/oder Position eines zu bewegenden Geräteteils - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur wahlwei­ sen Erfassung der Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung, Momen­ tan-Position und/oder Stillstands-Position - im Zusammenhang mit einer auch nicht-geradlinig linearen oder insbesondere rotationsmäßigen Bewegung eines Körpers, wie eines Geräte­ teils und insbesondere eines Rotors, z. B. eines Rades oder einer Scheibe, Walze oder dergl. Diese Einrichtung umfasst einen mit dem beweglichen Geräteteil starr verbundenen Infor­ mationsträger, der in mindestens einer Spur wenigstens ein Informationsmuster mit in Bewegungsrichtung gesehen hinter­ einander angeordnet einem oder mehreren Informationsbereichen bzw. -abschnitten aufweist. Ferner hat diese Einrichtung we­ nigstens eine Sensor-Messvorrichtung, die in der erfindungs­ gemäßen Einrichtung mit dem Informationsmuster zur Erfassung des Informationsinhalts des jeweiligen Musters in Wechselwir­ kung kommt, wobei von einer solchen Sensorvorrichtung dabei entsprechende Sensor-Messsignale abgegeben werden. Es sind außerdem Mittel zur Aufbereitung und Verarbeitung der Signale vorgesehen.

Eine in etwa derartige Einrichtung, die auch als Positionsge­ bereinrichtung bezeichnet werden kann, geht z. B. aus der US-A-4599561 hervor. Die bekannte Einrichtung stellt einen Drehpositionsgeber, der auch als Dreh- oder Winkelschrittge­ ber, Drehmesswertaufnehmer oder Drehwinkeldekodierer bezeich­ net wird, dar, mit dem sich allgemein im Falle eines Rotors als Geräteteil dessen Drehbewegung mit Hilfe der zu erhalten­ den Sensorsignale erfassen lässt. Sinngemäß sind auch Positi­ onsgeber für Geräte mit linear bewegtem Geräteteil entwickelt worden, mit denen die Linearposition und/oder Lineargeschwin­ digkeit erfasst werden können. Die aus der US-Patentschrift zu entnehmende Positionsgebereinrichtung enthält einen mitro­ tierenden, kreisscheibenförmigen Informationsträger, dessen Flachseite bzw. Scheibenoberfläche mit konzentrischen Spuren aus magnetischem Material versehen ist. Am Außenrand dieses Informationsträgers ist eine Spur zur inkrementalen Detektion (vgl. z. B. "Sensor Report", Heft 3, 1989, Seiten 6 und 7) für kleine Winkeländerungen vorgesehen. Diese inkrementale Spur ist aus in Richtung der Bewegung hintereinanderliegenden In­ formationsabschnitten mit alternierender magnetischer Polari­ tät bestehend gebildet. Eine solche bekannte Einrichtung hat somit ein Informationsmuster, das aus einer Folge magneti­ sierter Materialabschnitte besteht.

In der DE-A-29 08 599 ist eine weitere einschlägige Einrichtung beschrieben, bei der ein Informationsmuster verwendet ist, das aus einzelnen diskreten permanentmagnetischen Magnetpol- Elementen besteht.

Ebenfalls aus solchen am Rotationskörper angebrachten diskon­ tinuierlichen Magnetpol-Folgen bestehend, sind mehrspurige Informationsmuster aus der EP-A-422225 bekannt. Die aufeinan­ derfolgend jeweils entgegengesetzt polarisierten Permanent­ magnetpole, dort Fig. 7a, bilden mehrere Inkrementspuren, und zwar Spuren verschiedener Ordnung 16 ⁰, 16 ¹, 16 ² . . . Wie dort gezeigt und beschrieben sind dies solche Spuren, die ü­ ber ihre gesamte Spurlänge hinweg stets konstante Breite, nämlich gleich der einheitlichen Länge der signalgebenden Permanentmagnete haben. Die jeweilige Mittellinie einer Spur der jeweiligen Ordnung ist, bezogen auf die Bewegungsrich­ tung, sinusförmig unduliert. Diese Undulation ist, siehe dort Fig. 3a, derart bemessen, dass Flächenanteile der undulier­ ten Spur beim Ablauf der dort vorgesehenen Rotationsbewegung periodisch den Erfassungsbereich des vorgesehenen Sensors der Messeinrichtung verlassen. Beim Durchlauf unter dem Sensor wird somit eine Sinus- bzw. Cosinus-Komponente, und zwar die­ se mit einem starken Klirrfaktor behaftet, als Signal er­ zeugt. Die Signalerzeugung beruht auf den wechselnden Magnetfeldern der durchlaufenden Magnete der Inkremente. Erfasst werden diese Magnetfeldänderungen mittels magnetoresistiven Effekts des dort verwendeten Sensors. Bei Stillstand des Ro­ tationskörpers, z. B. vor Beginn einer Bewegung oder nach Ende einer Bewegung des Rotationskörpers, ist kein diese Still­ standsposition eindeutig angebendes Sensorsignal zu erhalten.

Noch weitere gleichartige Einrichtungen mit magnetischer Wechselwirkung mittels permanentmagnetischer Inkremente mit jeweils entgegengesetzt polarisierten magnetischen Polen des Musters gehen hervor aus JP-A-6-229780/4-16711/2-221810/1- 121719/1121720/62-62213/1-145519 und 60-220816. Diese Druck­ schriften beschreiben verschiedenste Muster der Strukturen der magnetischen Pole als auszulesendes Informationsmuster.

Aus der DE-A-195 04 307 ist eine einschlägige Einrichtung be­ kannt, bei der als Sensorvorrichtung eine Wirbelstrom- Messeinrichtung verwendet ist. Eine solche spricht auf unter­ schiedlich elektrisch leitende Eigenschaft mit entsprechend unterschiedlichem Sensorsignal an. Für eine solche Sensorvor­ richtung ist dort an diese angepasst eine solche abzutastende Spur des Informationsmusters der Einrichtung zur Drehzahl- oder Geschwindigkeitserfassung vorgesehen, bei der entlang der Spur in Bewegungsrichtung des Musters örtlich abwechselnd elektrisch leitendes oder nicht-leitendes Material nach Art von Inkrementen vorhanden ist. In diesem Stand der Technik ist ein Wirbelstromsensor-Messkopf beschrieben, mit dem wir­ belstromsensitiv das Informationsmuster des Informationsträ­ gers des bewegten Geräteteils messtechnisch ein entsprechend diskontinuierliches Signal erfasst werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einschlägige Einrichtung anzugeben, mit der sich mit möglichst geringem technischem Aufwand eine wahlweise Erfassung der Geschwindig­ keit der Bewegungsrichtung und der (während der Bewegung vorliegenden) Momentanposition und/oder auch der Stillstands- Position eines bewegbaren Geräteteils ausführen lässt. Teilaufgaben sind, die Notwendigkeit eines Frequenzumformers für die Drehzahlbestimmung entbehrlich zu machen, mit geringem Aufwand eine gute Winkelauflösung zu erzielen, die Einrich­ tung so auszubilden, dass möglichst hohe Störfeld- Unempfindlichkeit und geringer Klirrfaktor im Signal erzielt ist und die Herstellung und den Aufbau der Einrichtung mit einfachen Mitteln und einfacher Technologie zu realisieren ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Nachfolgend werden erfindungswesentliche Merkmale genannt, die im Einzelfall einer jeweiligen Ausführung der Erfindung jedoch nicht vollzählig bzw. insgesamt angewandt sind bzw. sein müssen und/oder über die hinaus und/oder statt dessen noch weitere, noch nachfolgend beschriebene Merkmale benutzt sind bzw. sein müssen:
Das linear oder insbesondere rotationsmäßig zu bewegende bzw. bewegte Geräteteil, z. B. ein Rotor, mit einer eine solche Be­ wegung mit einer Bewegungsrichtung ausführenden Körperfläche, z. B. der Stirnfläche und/oder der Mantelfläche eines Rades, einer Walze oder dgl., hat auf einer oder mehreren solcher Flächen jeweils ein oder mehrere Informationsmuster teilweise bekannter, oder aber insbesondere im vorliegenden Zusammen­ hang neuer Art bzw. Ausgestaltung. Darin sinngemäß einge­ schlossen ist auch der Fall eines Informationsmusters, das in entsprechend wirksam werdender Weise mit dem Geräteteil in Bezug auf dessen Bewegung und deren Richtung sonst wie starr oder wenigstens kinetisch verbunden angeordnet ist.

Ein solches Informationsmuster ist, - hier als Beispiele in den beigefügten Figuren gezeigt -, ein inkrement-freies Mus­ ter, das auf einer eine Bewegung ausführenden Fläche des Ge­ räteteils vorzugsweise zweidimensional ausgebildet ist. Es kann aber auch dreidimensional ausgebildet sein. Eine Dimen­ sion ist dabei die der Bewegungsrichtung und wenigstens eine der weiteren Dimensionen enthält zumindest eine Komponente der Musterinformation.

Das erfindungsgemäße Informationsmuster liegt in einer Spur oder in solchen Spuranteilen vor, die zusammengenommen eine ganze Informationsspur bilden. Das Informationsmuster er­ streckt sich, wie die Figuren zeigen, in der Bewegungsrich­ tung durchgehend, d. h. ununterbrochen. Das Informationsmuster umfasst über eine vorbestimmte Länge in Richtung der Bewegung hinweg, - bei einer Rotationsbewegung auf oder an einem Rota­ tionskörper sei dies die Länge einer im wesentlichen rotati­ onsaxialen, ringförmigen Spur einmal um den Umfang herum - eine Periode einer periodischen Funktion als Informationsin­ halt. Dieser Informationsinhalt ist in der mit wenigstens zwei miteinander verschalteten Detektionsschleifen einer Messeinrichtung messtechnisch zu erfassenden Breite des In­ formationsmusters enthalten, die am jeweiligen Ort der Koor­ dinate X oder π der Bewegung orthogonal zu der Bewegungsrich­ tung ausgerichtet ist. Diese Breite ändert sich erfindungsge­ mäß mit dem Ort X bzw. π.

Der Informationsinhalt eines solchen erfindungsgemäß verwen­ deten und angeordneten Musters ist in Verbindung mit der Messeinrichtung derart, dass aus diesem Informationsmuster mittels der Messeinrichtung solche Messwerte zu erhalten sind, mit denen jeweils eindeutig Geschwindigkeit, Bewegungs­ richtung, Momentanposition bzw. eine Stillstands-Position des das Muster tragenden Körpers erfasst werden kann. Dabei ist also vorteilhaft auch im Stillstand des Geräteteils bzw. das Muster tragenden Körpers die Positionsbestimmung wegen der eindeutigen Korrelation des Messsignals mit der örtlichen Spurbreite möglich.

Das den Informationsinhalt enthaltende Informationsmuster, bei einem Rotationskörper das Muster 0 bis 2π, kann, wie z. B. in Fig. 1c gezeigt, anteilig auch auf mehrere Spuran­ teile aufgeteilt vorgesehen sein. Diese Spuranteile enthalten zusammengenommen einmal das Informationsmuster 0 bis 2π, das mit diesen Spuranteilen an der jeweiligen Messeinrichtung in gleicher Weise vorbeiläuft wie das in nur einer einzigen Spur enthaltene Informationsmuster. Dementsprechend ist eine je­ weilige Spur bzw. sind jeweilige Spuranteile demgemäß auf die Bewegungsrichtung bezogen ausgerichtet. Jeweils ist die Aus­ führung von beispielsweise unterschiedlich ausgestalteten Single-Turn-Spuren vorgesehen. Unter einer Single-Turn-Spur ist eine solche Spur zu verstehen, bei der eine vorgebbare Länge einer Spur, - im Falle einer in sich geschlossenen Spur auf z. B. einem walzenförmigen Rotationskörper ist dies z. B. die Umfangslänge oder ist dies die Länge einer ringförmigen Spur auf einer rotierenden Seiten- bzw. Stirnfläche dieses Körpers -, als Informationsmuster eine Periode 2π des vor­ gesehenen Informationsinhalts umfasst. Insbesondere ist das eine 2π-Periode einer Sinus x- oder Kosinus x-Funktion mit z. B. x = ϕ eines Dreh- bzw. Positionswinkels ϕ.

Es kann bei der Erfindung zusätzlich noch eine wenigstens dem Grunde nach an sich bekannte Inkremental-Spur vorgesehen sein. Eine Inkremental-Spur umfasst innerhalb einer vorzuge­ benden Länge dagegen eine Vielzahl Inkrement-Perioden, z. B. mehrere periodische Informationselemente innerhalb einer sol­ chen z. B. Umfangslänge. Mit dieser Maßnahme kann eine ggf. geforderte noch höhere Auflösung erzielt werden.

Die Wechselwirkung zwischen dem Informationsmuster und der Messeinrichtung beruht bevorzugt auf Effekte elektromagneti­ scher Art, wie z. B. Wirbelstromeffekt, felderregt bedingte Ausrichtung magnetischer Domänen weichmagnetischer Materia­ lien, magnetischem Orientierungseffekt, deren Nutzung insbe­ sondere auch bei rauen Betriebsbedingungen, wie insbesondere physikalische und/oder elektromagnetische Verschmutzung, au­ ßerordentlich hohe Betriebssicherheit gewährleistet.

Um diese vorgenannten Wechselwirkungen zu erfassen, sind die vorgesehenen Messeinrichtungen bevorzugt Wirbelstrom-Mess­ köpfe in Verbindung mit Wirbelstromerregung, Magnetfeldsenso­ ren, vorzugsweise magnetoresistiver Art, und dergleichen.

Ein für die Erfindung zu verwendender Wirbelstrom-Messkopf kann gemäß einer ersten Ausführungsform eine generell auch als Magnetometer bezeichneten Detektor enthalten oder daraus bestehen. Dieses Magnetometer hat eine Empfangs-/Antennen- Messspule bzw. -Leiterschleife mit vorzugsweise einer oder mit mehreren Schleifen bzw. Windungen des Leiters. Mit einem solchen Magnetometer wird die jeweilige Amplitude des magne­ tischen Feldes der erzeugten Wirbelströme und zusätzlich auch das Feld der magnetischen Erregung gemessen. Der mit einem solchen Magnetometer-Wirbelstrom-Messkopf gemessene Amplitu­ denwert enthält somit auch Offset-Amplitudenanteile. Eine an­ dere Ausführungsform eines Wirbelstrom-Messkopfes ist die ei­ nes Gradiometers mit wiederum einer Erregerspule und mit üb­ licherweise zwei Magnetometer-Spulen bzw. Detektoren- Leiterschleifen. Diese beiden Spulen bzw. Schleifen sind in der Regel axial oder planar, quer zur Bewegungsrichtung ne­ beneinander angeordnet und haben als wesentliches Merkmal einander entgegengesetzten Wicklungssinn. Mit einem solchen Gradiometer ist eine differentielle Magnetfeldmessung, d. h. eine Feldgradientenmessung ausführbar, und zwar mit wesent­ lich verringertem bzw. weitgehend unterdrücktem Offset- Amplitudenanteil, der z. B. auf dem Erregerfeld beruht. Zu weiteren Einzelheiten eines solchen an sich bekannten Mess­ kopfes und speziellen Ausführungsformen eines solchen sei auch auf den Stand der Technik verwiesen.

Für die Eindeutigkeit der Bestimmung der Bewegungsrichtung und der Stillstands-Position (z. B. vor Beginn oder nach Ende der Bewegung) ist als eine bevorzugte Lösung vorgesehen, in­ nerhalb dieser Periode der Single-Turn-Spur in Bewegungsrich­ tung aufeinanderfolgend zwei Messköpfe vorzusehen. Vorzugs­ weise werden diese in einem Abstand von π/2 einer 2π-Periode eines vorgesehenen Sinus-Informationsmusters der Spur, also mit π/2-phasenverschobenem Messsignal, angeordnet. Im Falle zweier Spuren mit gleichem Informationsmuster, werden diese zwei Spuren als alternative Lösung in Bewegungsrichtung um dieses Maß zueinander phasenversetzt angeordnet. Allgemein heißt dies, die zwei Messköpfe bzw. die hier zwei gleichen Informationsmuster um vorzugsweise eine Viertelperiodenlänge der Periode des Informationsmusters gegenseitig versetzt zu positionieren.

Zu praktischen Ausführungsformen der Erfindung sei auch auf die weiter unten erfolgende Beschreibung verwiesen.

Insbesondere für hohe Auflösung der Longitudinal-Geschwindig­ keits- bzw. der Drehzahl-Messung oder -Erfassung kann auch bei der Erfindung zusätzliche ein Informationsmuster in der Art eines Inkremental-Musters, hier als Inkremental-Spur be­ zeichnet, vorgesehen sein. Auch hierzu sei hinsichtlich wei­ terer Einzelheiten der Erfindung auf die weiter unten be­ schriebenen Ausführungsbeispiele verwiesen, anhand derer die erfindungsgemäßen Besonderheiten noch besser erklärt werden können.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform mit einer Walze und mit einem auf deren Mantelfläche als Umfangsfläche befindlichen Informationsmuster.

Fig. 1A bis 1D zeigen Beispiele weiterer Informationsmus­ ter.

Fig. 2A und 2B zeigen auf einer Seiten- bzw. Stirnfläche eines walzenförmigen Körpers angeordnete Informationsmuster.

Fig. 3, 3A, 3B zeigen Ausführungsformen mit bzw. für zu­ sätzlich zu verwendende Inkrementalspur.

Die perspektivische Darstellung der Fig. 1 zeigt eine insbe­ sondere hinsichtlich des Informationsmusters ganz einfache Ausführungsform mit hier auch nur einer Spur. Mit 11 bezeich­ net zeigt die Figur als Geräteteil einen Rotor mit seiner Welle 12. Auf der Umfangsfläche 13 des Geräteteils 11 ist ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Single-Turn-Informationsmuster 20 aufgebracht, das beispielsweise z. B. eine aufgeklebte Me­ tallfolie ist, die die für Wirbelstrom-Sensortechnik erfor­ derlich höhere elektrische Leitfähigkeit als ihre Unterlage aufweist. Zumindest im Bereich der Umfangsfläche 13 besteht der Rotor 11 dementsprechend sinngemäß aus elektrisch zumin­ dest wesentlich schlechter als das Metall elektrisch leiten­ dem Material. Fig. 1A zeigt zur Fig. 1 die Abwicklung der Metallfolie des Single-Turn-Informationsmusters 20 mit einer sinusförmig vom Winkel ϕ abhängigen - wie ersichtlichen - Seitenbegrenzung 21 wie in der Fig. 1. Von ϕ = 0 bis ϕ = 2π reicht die Länge der Umfangsfläche 13 des Rotors 11. Die bei­ den π-Sinushalbbögen 21 ₁ und 21 ₂ sind um den Winkel ϕ = π ge­ geneinander versetzt auf die beiden Hälften beiderseits der Mittellinie M des Informationsmusters 20 verteilt positio­ niert. Die Fig. 1B zeigt zur Fig. 1A das Diagramm V_S der Signalspannung 121, die mit der hier vorgesehenen Gradiome­ ter-Messeinrichtung 30 der Fig. 1 und 1A zu erfassen ist, aufgetragen über der Zeit t, und zwar für diese eine Periode 2π der Rotation.

Die Spulen 30 ₁ und 30 ₂ des Gradiometers sind in der Richtung 14 für hohe Winkelauflösung so schmal mit b bemessen, wie dies für ausreichend großes messbares Signal möglich ist. In der dazu orthogonalen Richtung erstreckt sich dieses Gradio­ meter über die gesamte Breite B des Informationsmusters 20. Wie ersichtlich, führt eine erfindungsgemäße Seitenbegrenzung 21 mit Sinusform, nämlich wie in Fig. 1A gezeigt, zu einer optional offset-armen sinusförmigen Signalspannung wie sie in Fig. 1B mit 121 bezeichnet ist.

Mit 50 ist eine elektronische Auswerteeinrichtung für die je­ weilige Signalspannung bezeichnet.

Eine ebenfalls gezeigte alternative Randbegrenzung 21 _x führt zu einer Signalspannung 121 _x. Diese hat ersichtlich Oberwel­ len bzw. hohen Klirrfaktor. Für eine solche Signalspannung 121 _x mit lediglich der Grundwelle gleich der Frequenz des Messsignals 121 würde ein größerer Aufwand in der Auswertung erforderlich sein. Erfindungsgemäß ist die Sinusform mög­ lichst weit angenähert bevorzugt.

Es ist eine Magnetfeld-Erregung für die Wirbelstromerzeugung in dem Metall des Informationsmusters 20 erforderlich. Hierzu verwendet man eine Erregerspule 230 in prinzipiell bekannter Art und Weise. Diese Erregerspule kann Bestandteil der Mess­ einrichtung 30 sein, womit auch die örtliche Übereinstimmung von Magnetfelderregung und Messung des damit erzeugten Wir­ belstrom-Responses gewährleistet ist.

Insbesondere aus der Fig. 1B ist ersichtlich, dass das Sig­ nal des Gradiometer-Messkopfes der Messeinrichtung 30 sowohl eine Angabe des augenblicklichen Drehwinkels ϕ des jeweiligen Umlaufs des Geräteteils 11, nämlich als momentane positive oder negative Amplitude der Spannung, liefert und die Fre­ quenz dieser Signalspannung 121, bzw. die Grundwelle der Sig­ nalspannung 121 _x, die Umdrehungszahl, diese gemittelt über die Periode 2π, angibt.

Die Eindeutigkeit des momentanen Drehwinkels ϕ und die Dreh­ richtung +14 oder -14 können bei dieser ganz einfachen Aus­ führungsform jedoch nur aus dem unmittelbar vorangegangenen Amplitudenverlauf der Signalspannung 121 ermittelt werden.

Um letzterem Umstand zu begegnen, empfiehlt es sich, noch eine zweite nur schematisch dargestellte Messeinrichtung 30', die vorzugsweise gleich der Messeinrichtung 30 ausgeführt ist, vorzusehen. Diese ist wie in der Fig. 1 angedeutet positioniert, nämlich in oder wie hier entgegen der Bewegungs­ richtung 14 um ein Winkelmaß Δϕ versetzt. Insbesondere emp­ fiehlt es sich, diesen Winkelversatz gleich einem ungeradzah­ ligen (1, 3) Vielfachen der halben Periodenlänge π/2 zu wäh­ len. Die beiden Messeinrichtungen 30 und 30' geben dann eine ebenfalls um π/2 gegeneinander versetzte Signalspannung, d. h. eine Sinus-Spannung und eine Cosinus-Spannung ab. Aus den Signalspannungen 121 und 121' lässt sich dann ohne weiteres sowohl der Drehwinkel einer Stillstands- bzw. Momentan-Posi­ tion als auch die jeweilige Drehrichtung eindeutig bestimmen.

Anstelle des in der Fig. 1 bzw. 1A gezeigten Gradiometers als Messeinrichtung 30 können auch zwei orthogonal zur Bewe­ gungsrichtung 14 nebeneinander angeordnete einzelne Messele­ mentespulen vorgesehen sein, die in differentieller bzw. Brü­ ckenschaltung zusammengeschaltet sind und deren Signalspan­ nungsdifferenz im Ergebnis eine Signalspannung ist, die der Signalspannung 121 des Gradiometers entspricht.

Die Fig. 1C zeigt in wie schon zur Fig. 1A angegebener Wei­ se die Abwicklung eines zweispurigen Informationsmusters 20 ₂, und zwar mit parallel der Bewegungsrichtung laufenden zwei Spuren 20 ₂' und 20 ₂" mit dazwischen neutraler Spur 20 _N. Bei dieser Ausführungsform kann wiederum ein Gradiometer als Messeinrichtung 30 verwendet werden. Es können auch, - wie hier als Beispiel dargestellt -, zwei einzelne Detektoren 130, 130', die orthogonal zur Bewegungsrichtung 14, die neut­ rale Spur dazwischenliegend, nebeneinander angeordnet sind, vorgesehen sein. Von dem einen Detektor 130 wird bei Bewegung in Richtung 14 zunächst als Information der Sinus-Halbbogen 21 ₁ der einen Spur 20 ₂', und dann vom zweiten Detektor 130' um π-phasenversetzt der Sinusbogen 21 ₂ der anderen Spur 20 ₂" messtechnisch erfasst. Die neutrale Spur 20 _N erleichtert die Positionierung der Detektoren.

Die Fig. 1D zeigt noch ein weiteres Muster 20 ₃ zur Ausfüh­ rung nach Fig. 1. Dieses besteht hier aus einer Sinuskurve W1.sinϕ als nur einseitig modulierte Begrenzung 21c und ei­ nem zusätzlichen unmodulierten Anteil 20 ₀ des Musters. Das Minimum eines Offsets ist erreicht für W₀ = 2W₁, siehe Fig. 1D.

Die Fig. 2A und 2B zeigen die Erfindung weitergehend er­ läuternde bevorzugte Beispiele für die Erfindung zu verwen­ dende Informationsmuster.

Fig. 2A zeigt ein auf der bei Bewegung des Geräteteils 11a rotierenden Seiten- oder Stirnfläche 113 aufgebrachtes, für die Erfindung zu verwendendes Informationsmuster 20a. Dieses besteht aus wie dargestellten zwei konzentrischen Spuren 20'a und 20"a. Die Messeinrichtung 30 ist vor dieser Stirnfläche 113, d. h. seitlich des Geräteteils 11, angebracht und ist wiederum ein Gradiometer mit den Spulen 30 ₁ und 30 ₂. Die eine Gradiometerspule liegt über der Spur 20'a und die andere Gradiometerspule liegt über der Spur 20"a. Diese Messein­ richtung 30 liefert die resultierende offset-freie Differenz- Signalspannung 121 am elektrischen Ausgang. Diese beiden Spu­ ren haben je einen Anteil 120' bzw. 120", die als Seitenbe­ grenzungen - vergleiche 21 in Fig. 1A - wieder jeweils einen 180°-Sinusbogen enthalten, was infolge der Krümmung der Spur als solches ohne diesen Hinweis so nicht zu erkennen ist. Je­ de dieser beiden Spuren enthält somit eine π- bzw. 180°- Sinus-Amplitudenfunktion einer 2π-Sinuswelle, und zwar die eine Spur mit der Phase O bis π und die andere Spur mit der Phase π bis 2π einer 2π-Umdrehung des Musters 20a. Die Sig­ nalspannung bei Rotation des Geräteteils 11 ist wieder eine weitestgehend von Klirrfaktor-Anteilen freie Sinusspannung mit der Frequenz der Grundwelle. Diese Frequenz ist gleich der Umdrehungszahl dieses Geräteteils 11 pro Sekunde.

Die Fig. 2B zeigt ein Informationsmuster, das alternativ zur Fig. 2A wieder auf der Seitenfläche 113 vorgesehen bzw. dort angebracht ist. Das Informationsmuster 20b ist im Gegensatz zur Fig. 2A ein einspuriges Muster, das funktionell und messtechnisch vergleichbar dem in Fig. 1D in Abwicklung ge­ zeigten linearen Muster ist und für die Seitenfläche 113 wie bei Fig. 2A angepasst ist. Dieses ringförmige Muster 20b hat zusätzlich zu dem Informationsinhalt, der hier wiederum eine 2π-Sinusfunktion W1.sinϕ ist, noch den Gleichanteil 20 ₀, nämlich wie in Fig. 1D. Mit (W₀ - W₁) ist der Minimalwert der Summe der Sinusfunktion und des Gleichanteils bei 270° kenntlich gemacht. Mit (W₀ + W₁) ist auch die Maximal­ amplitude dieser Summe aus Gleichanteil und Sinusfunktion bei ϕ = 90° hervorgehoben. Diese Stelle befindet sich in Fig. 2B gerade im Bereich der Messeinrichtung 30. Diese überdeckt die gesamte maximale Breite B = W₀ + W₁ des Musters 20b der Spur. Bei Rotation des Geräteteils 11 und damit dieser Stirnfläche 113 wird mit der Messeinrichtung eine Funktion W = W₀ + W₁.­ sinϕ erfasst. Diese Signalspannung ist wie bei den voran­ gehenden Beispielen proportional dem Drehwinkel ϕ, dieser be­ zogen auf einen vorgebbaren Ausgangspunkt.

Im Falle der Verwendung eines Gradiometers als Messeinrich­ tung 30, 30' empfiehlt es sich, dieses hier in Fig. 2B mit dessen Symmetriemitte, - etwa sinngemäß wie zur Fig. 1D an­ gegeben -, bezogen auf das Muster 20b so zu positionieren, dass auch der Offset-Anteil im Signal 121, 121' eliminiert ist. Als Bemessungsregel sei angegeben, die jeweilige Symmet­ riemitte im Abstand R = R₁ ± ½W₀ = R₁ ± W₁ zu positionieren. Darin ist R₁ der Radius der hierfür um die Achse A kreisför­ mig zu wählenden einen Berandung der Spur 20b, und zwar der inneren Berandung 21 _i für das Pluszeichen oder der äußeren Berandung 21a für das Minuszeichen der Gleichung. Die jeweils andere Berandung 21a bzw. 21 _i enthält in diesen Fällen dem­ entsprechend allein die Funktion W₁.sinϕ der Information des Informationsmusters der Spur, wie auch zur Fig. 1D erläu­ tert.

Mit dieser Anordnung nach Fig. 2B lässt sich die Drehzahl und lassen sich, eingeschlossen die Hinzuziehung der unmit­ telbaren Vorgeschichte, auch eindeutig die Drehwinkel-Position und die Drehrichtung bestimmen. Wie schon oben darauf hingewiesen, kann diese Eindeutigkeit auch durch Anordnung und Signalauswertung mit einer weiteren Messeinrichtung 30', die wie die Messeinrichtung 30, wie gezeigt, beide im Abstand r von der Rotationsachse A angeordnet sind, gewährleistet werden. Vorzugsweise ist ein Versatz der beiden Messeinrich­ tungen um π/2 vorgesehen, womit die jeweilige Signalspannung der einen und der anderen Messeinrichtung eine Sinus-Funktion bzw. eine Cosinus-Funktion enthalten. Diese beiden Funktionen werden schaltungstechnisch verarbeitet, nämlich zu den wie schon genannt eindeutigen Messsignalen für Drehzahl, Dreh­ richtung und Position.

Für eine Messwerterfassung mit höherer Auflösung kann zusätz­ lich zu einem wie voranstehend beschriebenen Informationsmus­ ter 20 oder auch allein eine Inkremental-Spur 40, ein- oder mehrspurig, vorgesehen sein. In Fig. 3 ist auf einem Geräte­ teil 11, hier auf einer Walze, gemäß je einer Alternative eine solche Spur 40 gezeigt. Dargestellt ist nur je ein Ab­ schnitt einer solchen Spur auf wahlweise der Umfangsfläche 13 oder der Stirnfläche 113. In den Fig. 3A und 3B ist wie­ derum je ein Anteil einer Spur 40, hier jedoch als Abwicklung gezeigt. Eine solche Inkremental-Spur ist prinzipiell be­ kannt. Sie besteht aus Inkrement-Elementen 41 mit zu diesen zugehörigen Zwischenräumen 42. Ein Inkrement-Element und ein benachbarter Zwischenraum bilden eine Periode der Inkremen­ tal-Spur. Wie ersichtlich, kann eine Vielzahl Inkremental- Perioden innerhalb einer 2π-Periode der Umdrehung des Geräte­ teils 11 vorgesehen sein. Mit einer solchen bekannten Inkre­ mental-Spur kann man bekanntermaßen die Drehzahl problemlos bestimmen. Hierzu ist es üblich, Magnetometer zu verwenden, soweit es sich um elektro-magnetische Wechselwirkung der Aus­ führungsform handelt.

Um erfindungsgemäß bei Verwendung einer wie beschriebenen In­ kremental-Spur außer der Drehzahl bzw. Drehgeschwindigkeit auch eindeutig die Drehrichtung und/oder eine Position bestimmen zu können, können die voranstehend zur Single-Turn- Spur der vorliegenden Erfindung genannten Ausführungsvarian­ ten angepasst auch bei der Inkremental-Spur 40 angewendet werden. Eine solche Ausführungsform ist, wie Fig. 3A zeigt, zur Bewegungsrichtung 14 orthogonal zwei Messeinrichtungen innerhalb der Breite der Inkremental-Spur anzuordnen, jedoch erfindungswesentlich diese beiden Messeinrichtungen um vor­ zugsweise (2n - 1).1/4.p mit n = 1 oder 2 und p = der Peri­ ode der Folge der Inkrementelemente 41 gegeneinander in Rich­ tung der Bewegung zu versetzen. Die eine Messeinrichtung misst also ein Signal, das gegenüber demjenigen der anderen Messeinrichtung um dieses Maß des Periodenversatzes zeitlich versetzt ist. Die beiden Signale verhalten sich bei dieser Messung wie Cosinus und Sinus zueinander. Das Maß des Versat­ zes kann auch von demjenigen einer Viertelperiode abweichend sein, soweit es bis an das Maß einer halben oder ganzen Pe­ riode lediglich angenähert ist, bei dem die Eindeutigkeit wieder verloren geht.

Anstelle eines Versatzes der Messeinrichtungen 30, 30', d. h. bei stattdessen genau orthogonal zur Bewegungsrichtung 14 ne­ beneinander angeordneten Messeinrichtungen 30, 30' kann, wie Fig. 3B zeigt, die Inkremental-Spur auch zweispurig, d. h. mit zwei Parallelspuren 40 und 40', ausgeführt sein, wobei die Inkrement-Elemente 41, 41' der einen und der anderen Spur um das schon zum Versatz der Messeinrichtungen beschriebene Maß 1/4.P gegeneinander versetzt sind.

Meistenteils werden, in Richtung der Bewegung 14 gesehen, die Abmessungen von Element 41 und Zwischenraum 42 zwischen zwei benachbarten Elementen etwa gleich groß bemessen. Die Abmes­ sung b der Innenfläche der Spule(n) oder Schleife(n) einer Messeinrichtung 30, und zwar in Richtung der Bewegung 14, wird vorzugsweise auf die Inkremental-Elemente abgestimmt, vorzugsweise etwa gleich groß, bemessen. Damit erreicht man sowohl eine hohe Auflösung als auch große Signalspannung.

Es empfiehlt sich, die Breite einer Inkremental-Spur 40, 40' breiter, insbesondere mehrfach breiter als das Maß der halben Periodenlänge p zu bemessen. Damit können die Anforderungen an die Justierung in Lateralrichtung zwischen Spur und Mess­ einrichtung wesentlich herabgesetzt werden.

Es empfiehlt sich auch, bei Anwendung des Wirbelstromprinzips für das Informationsmuster der Spur bzw. Spuren Material mit sehr hoher spezifischer elektrischer Leitfähigkeit, z. B. Kup­ fer oder Silber, zu verwenden und zudem die Frequenz der Er­ regung derart hoch zu wählen, dass die durch die Wirbelstrom­ wirkung induzierte Signalspannung der Messeinrichtung 30 weitgehend nur noch induktive Signalanteile hat. In entspre­ chender Weise ist es von Vorteil, bei Spuren aus ferritischem Material solches mit geringem Verlustwinkel vorzusehen, um ebenso mit hoher Erregerfrequenz im wesentlichen nur indukti­ ve Anteile in der induzierten Signalspannung zu erreichen. Insbesondere empfiehlt es sich, für die beiden voranstehend genannten Fälle, nicht-phasenempfindliche Gleichrichtung der Signalspannung der Messeinrichtung vorzunehmen.

Nachfolgend werden noch zusätzliche Lösungswege für Randprob­ leme gegeben. Ein solches Problem ist, eine Temperaturkompen­ sation zur Erzielung hoher Genauigkeit durchzuführen. Ein an­ deres beruht darauf, dass bei Messungen mit Magnetfeldeffek­ ten der Abstand zwischen der Spur und der Messeinrichtung und insbesondere unbeabsichtigte Abstandsänderungen und -fehler großen Einfluss auf die Messergebnisse haben können. Zur Be­ hebung solcher Probleme empfiehlt es sich, die Demodulation der Signalspannung der Messeinrichtung phasenempfindlich durchzuführen und damit zwei Messergebnisse zu erhalten, näm­ lich einmal den Realteil und einmal den Imaginärteil der Sig­ nalspannung. Die dadurch im Vergleich zur bekannten phasen­ unempfindlichen Demodulation zu erhaltende zusätzliche Mess­ wertgröße Im(V)/Re(V)ist geeignet, als Regelgröße für eine Abstands- und/oder Temperaturkompensation des eigentlich ge­ suchten Messwertes zu dienen. In im wesentlich gleichem Sinne empfiehlt es sich, für die Nutzung der Erfindung die elektro­ magnetische Erregung auf mehreren verschiedenen Frequenzen, und zwar dies gleichzeitig, durchzuführen. Im Ausgangssignal der Messeinrichtung erhält man entsprechend Mehrfachfrequent- Signalspannungen, die für jede Frequenz einzeln demoduliert werden. Bei phasenunempfindlicher Demodulation erhält man für jede Frequenz je ein Ausgangssignal und bei phasenselektiver Demodulation für jede Frequenz zwei Größen, von denen dann wiederum eine dieser Größen der oben angegebenen Kompensation von Änderungen des Abstands, der Temperatur und dgl. im ande­ ren Signal dient.

Für die Herstellung der für die Nutzung der Erfindung erfor­ derlichen elektrischen und elektronischen Elemente empfiehlt sich die Anwendung von aus der Mikroelektronik bekannten Technologien. Zum Beispiel ist es vorteilhaft, die Spulen und dgl. Elemente z. B. der Messeinrichtung unter Verwendung kup­ ferkaschierten Platinenmaterials auszuführen. Lithographisch hergestellte Spulen für die Erregung und für die Messeinrich­ tung können so präzise bemessen hergestellt werden, dass ins­ besondere auch das Übersprechen bei der Verwendung doppelter Messeinrichtungen 30 und 30', wie sie oben für die Eindeutig­ keit der Messgrößen vorgeschlagen sind, erreichbar sind.

Die voranstehend beschriebenen Ausführungen gelten sinngemäß auch für Messungen bei linearer Bewegung eines Geräteteils.

Claims (23)

1. Einrichtung zur Erfassung der Geschwindigkeit und/oder Be­ wegungsrichtung und/oder Position eines in einer Bewegungs­ richtung (14) bewegbaren Geräteteils (11) auf der Basis der Erfassung von Messwerten eines Induktions-Wechselwirkungs­ effektes, der zwischen einem am Geräteteil (11) vorgesehenen Material und wenigstens einer für diesen Wechselwirkungsef­ fekt sensitiven Messeinrichtung (30) auftritt,
wobei dieses Material sich auf einer bei Bewegung des Gerä­ teteils (11) sich bewegenden Fläche (13, 113) befindet und ein Informationsmuster (20) bildet, das
für eine vorgegebene Länge in Bewegungsrichtung (14) ei­ ne Periode einer periodischen Funktion f(x, ϕ) umfasst, und
in wenigstens einer Spur vorliegt, die sich in der Bewe­ gungsrichtung (14) auf dieser Fläche (13, 113) ununter­ brochen erstreckt und in der vorgegebenen Länge eine sich mit dem Ort (x; ϕ) ändernde Breite besitzt, und
wobei die Messeinrichtung (30) wenigstens zwei Detekti­ onsschleifen enthält, die dieser Spur gegenüber angeordnet sind, so dass bei Bewegung des Geräteteils (11) das Infor­ mationsmuster (20) an der Messeinrichtung (30) derart vor­ beiläuft, dass die in dem Informationsmuster (20) als Mo­ dulation der Größe des Wechselwirkungseffekts enthaltene Information mit der Messeinrichtung (30) als eine mit der Breite der Spur eindeutig korrelierte Signalspannung (121) zu erfassen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass diese Funktion (f) eine Si­ nusfunktion/Cosinusfunktion (x; ϕ) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des Infor­ mationsmusters (20) als seitliche Randbegrenzung (21) des Ma­ terials des Wechselwirkungseffekts realisiert ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Material mit dieser Funktion als Randbegrenzung ein Anteil einer Oberfläche (13, 113) des Ge­ räteteils (11) ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass dieses Material eine auf der Fläche (13, 113) des Geräteteils (11) aufgebrachte Beschich­ tung ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Material hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und der Wechselwirkungseffekt auf Wir­ belstromerzeugung beruht.

7. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus ferriti­ schem Material mit geringem Verlustwinkel besteht und der Wechselwirkungseffekt elektromagnetischer Art ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass das Informa­ tionsmuster (20 ₂) zu je einer halben Periode des Musters auf zwei nebeneinander parallel laufende Spuranteile aufgeteilt ist und der eine Spuranteil (20 ₂') gegenüber dem anderen Spuranteil (20 ₂") in Bewegungsrichtung (14) um eine halbe Periode versetzt ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, dass das Informa­ tionsmuster tragende Geräteteil (11) ein Rotationsbewegung ausführender Körper mit einer rotationssymmetrischen Mantel­ fläche (13) ist und sich das Informationsmuster (20) auf dieser Fläche in einer Spur oder auf mehreren Spuranteilen ver­ teilt in Bewegungsrichtung (14) erstreckt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, dass das die nur eine Periode des Musters (20 _a, 20 _b) auf der eine Rotationsbe­ wegung ausführenden Stirnfläche (113) als eine Spur oder auf­ geteilt auf mehrere Spuranteile des Musters als zur Rotati­ onsachse konzentrische Ringspur(-en) vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, dass zwei Messein­ richtungen (30, 30') vorgesehen sind, die in Bezug auf die Bewegungsrichtung (14) und die wenigstens eine Spur des In­ formationsmusters, hintereinander liegend und zueinander versetzt angeordnet sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, dass dieser Versatz der Messein­ richtungen (30, 30') wenigstens angenähert gleich einem un­ gradzahligen Vielfachen (1, 3 . . .) einer halben Periodenlänge des Informationsmusters bemessen ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, dass als Messein­ richtung (30) ein zwei miteinander elektrisch und differen­ tiell verbundene Detektorschleifen (30 ₁, 30 ₂) mit zwischen diesen die Symmetriemitte aufweisendes Gradiometer vorgesehen ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, dass bei einem auf zwei Spurantei­ le aufgeteiltem Informationsmuster mit der nur einen Periode (20 ₂; 20 _a) eine erste der Schleifen (30 ₁, 30 ₂) dem einen Spur­ anteil und die zweite dieser Schleifen dem anderen Spuranteil dieser Spuranteile (20'₂, 20"₂; 20'_a; 20"_a) des des Infor­ mationsmusters zugeordnet ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, dass bei einem Informationsmuster, das eine erste Spur bzw. in einer Spur (20 ₃, 20 _b) einen ers­ ten Spuranteil (20 ₀) ohne Informationsinhalt mit nur Gleich­ anteil und eine zweite Spur bzw. in der Spur (20 ₃, 20 _b) einen zweiten Spuranteil mit dem Informationsinhalt umfasst, das Gradiometer mit seiner Symmetriemitte bezogen auf die Spur(en) so positioniert ist, dass die eine Schleife (30 ₂) nur den Gleichanteil (20 ₀) und die andere Schleife (30 ₁) nur den vom Gleichanteil freien Informationsinhalt des ganzen In­ formationsmusters erfasst.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Informationsmuster (20) mit der einen Periode ein weite­ res Informationsmuster in der Ausführung einer oder mehrerer Inkrementalspuren (40) mit dazugehörig einer oder mehreren Messeinrichtungen (30, 30') vorgesehen sind.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zwei Messeinrichtungen (30, 30') für die Inkrementalspur vorgesehen sind, die beide bezo­ gen auf die Bewegungsrichtung um wenigstens angenähert einem ungradzahligen Vielfachen (1, 3 . . .) einer 1/4-Periodenlänge der Periode der Inkrementalspur (40) versetzt sind.

18. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Muster der Inkrementele­ mente (41) der einen Spur der Inkrementelemente in Bewegungs­ richtung (14) gegenüber der periodischen Folge der Inkrement­ elemente (41') der anderen Spur um wenigstens angenähert ei­ nem ungradzahligen Vielfachen (1, 3 . . .) einer 1/4-Perioden­ länge der Inkremente der Inkrementalspur gegeneinander ver­ setzt angeordnet sind.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, dass die Breite der Inkrementelemente (41, 41') in Richtung der Bewegungs­ richtung (14) für hohe Auflösung gegenüber ihrer Länge quer zu dieser Richtung (14) schmal bemessen sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, dass bei vorgese­ hener Wirbelstrom-Messeinrichtung (30) als Material des In­ formationsmusters (20) ein solches mit sehr hoher elektri­ scher spezifischer Leitfähigkeit vorgesehen ist und hohe Fre­ quenz der Erregung gewählt ist, sodass die durch Wirbelstrom induzierte, zu messende Signalspannung (121) im wesentlichen nur induktiven Anteil hat.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, dass bei vorgese­ hener Wirbelstrom-Messeinrichtung (30) als Material des In­ formationsmusters (20) ein Material mit geringem Verlustwin­ kel (weichmagnetisches Material) vorgesehen ist und hohe Fre­ quenz der Erregung gewählt ist, sodass die durch Wirbelstrom induzierte, zu messende Signalspannung (121) im wesentlichen nur induktiven Anteil hat.

22. Einrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Auswerteein­ richtung (50) erfolgende Gleichrichtung der von der Messein­ richtung (30) her eingehenden Signalspannung (121) nicht­ phasenempfindlich vorgesehen ist.

23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, da­ durch gekennzeichnet, dass die in der Auswerteeinrichtung (50) vorgesehene Demodulation der von der Messeinrichtung (30, 30') eingehenden Signalspannung (121, 121') phasenempfindlich vorgesehen ist und Realteil und Ima­ ginärteil des demodulierten Signals zur Fehlerkompensation genutzt werden.