CH710404A1 - Magnetisches Drehwinkel- oder Wegmesssystem mit Referenzimpuls. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetisches Drehwinkel- oder Wegmesssystem mit Referenzimpuls umfassend eine mobile sowie eine stationäre Einheit (2, 3) zum Erfassen einer jeweils aktuellen Dreh- oder Weg-Position sowie der Laufrichtung (4) eines sich linear oder rotierend bewegenden Systems (5). Die mobile Einheit (2) umfasst eine Reihe (6) von einer Vielzahl von zu einem gleichmässigen Muster aneinander angereihten Dipolmagneten (7) mit einer Störstelle (9), an der das Muster geändert ist. Die stationäre Einheit umfasst einen ersten und einen zweiten Sensor (8, 10), die, wenn sie sich in der Nähe der Reihe (6) befinden, das Magnetfeld der Dipolmagneten (7) als erstes und zweites Sensorsignal (S1, S2) erfassen können. Die beiden Sensoren (8, 10) sind im Gebrauch in Laufrichtung (4) ausgerichtet und in einem Abstand A beabstandet voneinander angeordnet, wobei A verschieden von einem ganzzahligen Vielfachen der halben Musterlänge P/2 ist. Die Erfindung betrifft auch einen Flansch sowie einen Drehmomentsensor umfassend ein erfindungsgemässes Messsystem (1).

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft ein magnetisches Drehwinkel- oder Wegmesssystem mit Referenzimpuls umfassend eine mobile Einheit sowie eine stationäre Einheit zum zeitlichen Erfassen einer jeweils aktuellen Dreh- oder Weg-Position sowie der Laufrichtung eines sich linear oder rotierend bewegenden Systems, wobei die mobile Einheit eine Reihe von einer Vielzahl von gleich ausgerichteten und zu einem gleichmässigen Muster mit einer kleinsten Musterlänge P aneinander angereihten Dipolmagneten umfasst und die stationäre Einheit mindestens einen ersten Sensor umfasst, der, wenn er sich in der Nähe der Reihe befindet, das Magnetfeld der Dipolmagneten als erstes Sensorsignal erfassen kann. Die Erfindung betrifft auch einen Flansch und einen Drehmomentsensor umfassend ein solches System.

Stand der Technik

[0002] Magnetische Drehwinkel- oder Wegmesssysteme mit Referenzimpuls werden insbesondere in der industriellen Messtechnik, für Prozesskontrollen sowie in der Indiziertechnik eingesetzt. Herkömmliche Systeme verwenden für die Erfassung von Drehwinkel oder Weg eine Magnetspur, wobei eine zweite Spur vorgesehen ist für die Erfassung des Referenzimpulses. Zudem ist in der Regel eine weitere Spur erforderlich für die Erfassung der Dreh- oder Laufrichtung.

[0003] In der DE 20 2012 015 102 ist ein Drehmoment- und Drehzahlsensor beschrieben, der ebenfalls einen Referenzimpuls erfassen kann. Dieser gibt jeweils einen Impuls, wenn eine Umdrehung einen vordefinierten Nulldurchgang überschreitet. Für den Referenzimpuls ist eine separate Spur erforderlich, die entsprechend Platz benötigt.

Darstellung der Erfindung

[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein eingangs beschriebenes magnetisches Drehwinkel- oder Wegmesssystem mit Referenzimpuls zu beschreiben, das weniger Platz braucht, sodass ein Flansch oder ein Drehmomentsensor, der ein solchen System umfasst, insgesamt schmäler ausgestaltet werden kann.

[0005] Die Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Erfindungsgemäss umfasst die Reihe des eingangs beschriebenen magnetischen Drehwinkel- oder Wegmesssystems mit Referenzimpuls mindestens eine Störstelle, an der das Muster geändert ist. Zudem umfasst die stationäre Einheit mindestens einen zweiten Sensor, der, wenn er sich in der Nähe der Reihe befindet, das Magnetfeld der Dipolmagneten als zweites Sensorsignal erfassen kann. Der erste und der zweite Sensor sind erfindungsgemäss in Laufrichtung ausgerichtet und um einen Abstand A beabstandet voneinander angeordnet, wobei A verschieden von einem ganzzahligen Vielfachen der halben Musterlänge P/2 ist.

[0006] Mit dieser Anordnung ist nur1 eine einzige Reihe resp. Spur von Dipolmagneten notwendig, die daher wenig Einbauraum beansprucht. Zudem wird mit dieser Anordnung ein vollintegrierbares System beschrieben, welches ohne zusätzliche Anbauteile vom Anwender in Betrieb genommen werden kann. Die erforderlichen Sensoren können in der stationären Einheit kompakt integriert werden.

[0007] Erfindungsgemäss erfassen die beiden Sensoren zwei periodische Signale, die phasenverschoben sind, beispielsweise einen Sinus und einen Cosinus. Je nachdem, ob die Cosinuskurve der Sinuskurve vor- oder nachgelagert ist, kann die Laufrichtung der mobilen Einheit bestimmt werden.

[0008] Wird die Referenzstelle durchlaufen, so stehen die beiden erfassten Kurven in einem anderen Verhältnis zueinander als im übrigen Bereich, die Phasenverschiebung ist verändert. Ist, wie im oben genannten Beispiel, die Phasenverschiebung +/–90°, so wird sie, wenn beispielsweise die Länge des Dipols an der Störstelle die doppelte Länge aufweist, +/–45°.

[0009] Somit kann die Störstelle ohne weiteres identifiziert werden, ohne dass eine zusätzliche Spur zur Referenzwerterfassung angebracht werden muss.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Dieselben Bezugszeichen beschreiben stets dieselben Komponenten. Es zeigen <tb>Fig. 1<SEP>eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemässen Systems zur Drehwinkelbestimmung; <tb>Fig. 2<SEP>eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemässen Systems zur Wegbestimmung; <tb>Fig. 3<SEP>eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemässen System zur Drehwinkelbestimmung in einem Flansch; <tb>Fig. 4<SEP>ein erfindungsgemässer Flansch und ein erfindungsgemässer Drehmomentsensor, an einer Welle montiert.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0011] Die Fig. 1 zeigt ein magnetisches Drehwinkelsystem 1 mit Referenzimpuls. Es umfasst eine mobile Einheit 2 sowie eine stationäre Einheit 3 zum zeitlichen Erfassen einer jeweils aktuellen Dreh- oder Weg-Position sowie der Laufrichtung 4 eines sich linear oder rotierend bewegenden Systems 5. Die mobile Einheit 2 umfasst eine Reihe 6 von einer Vielzahl von gleich ausgerichteten und zu einem gleichmässigen Muster mit einer kleinsten Musterlänge P aneinander angereihten Dipolmagneten 7. Die stationäre Einheit 3 umfasst mindestens einen ersten Sensor 8, der, wenn er sich in der Nähe der Reihe 6 befindet, das Magnetfeld der Dipolmagneten 7 als erstes Sensorsignal S1 erfassen kann.

[0012] Erfindungsgemäss umfasst die Reihe 6 mindestens eine Störstelle 9, an der das Muster geändert ist. Dies kann dadurch geschehen, indem an dieser Stelle ein Dipolmagnet 9 mit einer veränderten Länge angeordnet ist. Er kann beispielsweise doppelt so lang sein wie die anderen Dipolmagneten, die eine Länge P aufweisen, oder nur 25%, 50% oder 75% der Länge der anderen Dipolmagneten aufweisen. Insbesondere werden ganzzahlige Vielfache, ausser 4, eines Viertels der Musterlänge P/4 bevorzugt.

[0013] Die stationäre Einheit 3 umfasst mindestens einen zweiten Sensor 10, der, wenn er sich in der Nähe der Reihe 6 befindet, das Magnetfeld der Dipolmagneten 7 als zweites Sensorsignal S2 erfassen kann. Erfindungsgemäss sind der erste und der zweite Sensor 8, 10 in Laufrichtung 4 ausgerichtet und um einen Abstand A beabstandet voneinander angeordnet. Sie weisen keinen seitlichen Versatz zueinander auf, quer zur Laufrichtung 4. Erfindungsgemäss ist A verschieden von einem ganzzahligen Vielfachen der halben Musterlänge P/2.

[0014] Die Sensoren 8, 10 erfassen im Betrieb jeweils Sinuskurven, die um gewisse Phasen voneinander verschoben sind, entsprechend ihrem Längenversatz um den Abstand A. Bei rotierenden Systemen wird der Versatz um den Abstand A in Relation zur Musterlänge P in Winkellängen angegeben, sodass der radiale Abstand vom Drehzentrum mitberücksichtigt ist. Der Einfachheit halber wird aber hier von Längen A und P gesprochen.

[0015] In Fig. 2 zeigt ein magnetisches Wegmesssystem 1 mit Referenzimpuls. Im Gegensatz zu Fig. 1 ist in Fig. 2 das mobile System 3 linear bewegt und nicht rotierend. In diesem System sind die Längen A und P gleichartig.

[0016] Solange der Versatz A nicht gleich einem Vielfachen von P/2 ist, ist gewährleistet, dass die Beträge der beiden Sensorsignale S1 und S2 nicht immer gleich sind, ausserhalb der Störstelle. Dies bedeutet, dass die eine Kurve mit einer bestimmten Phase der anderen Kurve vorausläuft. Sobald sich aber die Dreh- oder Laufrichtung ändert, ändert sich dies, und die andere Kurve läuft wiederum mit einer bestimmten Phase voraus. Auf Grund dieser Phasenbeziehung der Sensorsignale S1, S2 zueinander lässt sich die Dreh- resp. Laufrichtung eindeutig bestimmen.

[0017] Ein anderes Verfahren zur Bestimmung der Dreh- resp. Laufrichtung besteht im Vergleich des Summensignals S1 + S2 mit dem Differenzsignal S1 – S2. Auch bei diesen beiden berechneten Signalen lassen sich entsprechende vorläufige resp. nachläufige Phasenbeziehungen erkennen und interpretieren.

[0018] Das Summensignal S1 + S2 ist zudem ein Indikator für den Referenzdurchgang. Sobald sich die Amplitude dieses Summensignals reduziert im Vergleich mit dem restlichen Bereich des Summensignals, befinden sich die Sensoren im Bereich der Störstelle 9. Diese könnte auch anhand der Phasenbeziehungen der beiden Sensorsignale S1 und S2 erkannt werden, da die Phasenbeziehung im Bereich der Störstelle verändert wird.

[0019] Vorzugsweise ist der Abstand A ein ungradzahliges Vielfaches eines Viertels der Musterlänge P/4. Dadurch wird gewährleistet, dass der Phasenvorlauf und der Phasennachlauf denselben Phasenunterschied aufweisen. Prinzipiell ist auch jeder andere Abstand zulässig, solange er nicht ein ganzzahliges Vielfache der halben Musterlänge P/2 ist.

[0020] Das System kann bezüglich der Auswertung vereinfacht werden, indem ein dritter Sensor 21, der ebenfalls mit den anderen Sensoren 8, 10 in Laufrichtung 4 ausgerichtet ist, um einen Abstand B von einem der anderen Sensoren 8, 10 beabstandet angeordnet ist, wobei B ein ganzzahliges Vielfache der halben Musterlänge P/2 ist.

[0021] Im dargestellten Beispiel der Fig. 1 und 2 soll der dritte Sensor 21, der ein Sensorsignal S3 erfasst, P/2 vom zweiten Sensor 10 angeordnet sein. Wieder soll kein seitlicher Versatz quer zur Laufrichtung 4 der Sensoranordnung des dritten Sensors 21 vorhanden sein. Dadurch können alle drei Sensoren 8, 10, 21 nahe beieinander und auf einer Linie angeordnet sein.

[0022] Die Sensoren 8 und 21 erzeugen im Gebrauch stets Signale desselben Betrags aber unterschiedlicher Vorzeichen. Die Summe der Signale S2 + S3 ist daher stets gleich Null, abgesehen vom Bereich in der Störstelle. Demnach kann mit diesem dritten Sensor stets auf einfache Weise, direkt und unmittelbar erkannt werden, wenn die Referenzstelle durchlaufen wird. Trotz des Mehraufwandes eines dritten Sensors 21 hat es sich als sinnvoll erwiesen, diesen aufzunehmen, damit die Referenzstelle eindeutig erkannt werden kann.

[0023] Vorzugsweise wird die stationäre Einheit 3 mit einer Signalverarbeitungseinheit 11 signalverbunden, zum Verarbeiten der Sensorsignale S1, S2 und allenfalls S3 der Sensoren 8, 10 und allenfalls 21. Als Ausgang dieser Signalverarbeitungseinheit 11 werden beispielsweise drei Signalspuren ausgegeben, von denen zwei Signalspuren Rechteckpulse darstellen, die phasenverschoben zueinander sind, und die dritte Signalspur einen einzelnen Rechteckpuls darstellt, sobald die Referenzstelle resp. Störstelle passiert wurde. Die drei Spuren entsprechen den standardisierten Ausgangspulsen, die sich für solche Messungen bewährt haben.

[0024] Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemässes Messsystem 1 mit einer mobilen Einheit 2 und einer stationären Einheit 3 und einer Auswerteeinheit 19, an der eine Verbindung zu einem Display 22 dargestellt ist mit den beschriebenen drei Ausgabespuren.

[0025] Die mobile Einheit 2 ist in dieser Figur auf einem erfindungsgemässen Flansch 12 angebracht, der hier Teil des rotierenden Systems 5 darstellt. Zusammen mit der mobilen Einheit 3 bildet der Flansch 12 in diesem Beispiel das erfindungsgemässe Messsystem 1.

[0026] Gemäss Fig. 4 kann der Flansch 12 hier zwei Montageplatten 13 mit Montagevorrichtungen 14 zum beidseitigen Anbringen an eine Welle 20 umfassen, wobei die Montageplatten 13 mit einem Steg 15 verbunden sind.

[0027] Insbesondere kann ein Drehmomentsensor 16 einen solchen Flansch 12 umfassen. Bei diesem Drehmomentsensor 16 ist beispielsweise am Steg 15 ein weiterer Sensor 23 angebracht zum Erfassen eines zwischen den beiden Montageplatten wirkenden Drehmoments.

[0028] Erfindungsgemäss umfasst der Flansch 12 vorzugsweise eine Sendeantenne 17 und die stationäre Einheit 3 eine Empfangsantenne 18 zum telemetrischen Übermitteln eines vom Drehmomentsensor (16) erfassten Drehmoment-Messsignals auf die stationäre Einheit 3.

Bezugszeichenliste

[0029] <tb>1<SEP>Messsystem; Magnetisches Drehwinkel- oder Wegmesssystem mit Referenzimpuls <tb>2<SEP>Mobile Einheit <tb>3<SEP>Stationäre Einheit <tb>4<SEP>Laufrichtung <tb>5<SEP>System, rotierend oder linear beweglich <tb>6<SEP>Reihe <tb>7<SEP>Dipolmagnet <tb>8<SEP>Erster Sensor <tb>9<SEP>Störstelle <tb>10<SEP>Zweiter Sensor <tb>11<SEP>Signalverarbeitungseinheit <tb>12<SEP>Flansch <tb>13<SEP>Montageplatte <tb>14<SEP>Montagevorrichtungen <tb>15<SEP>Steg <tb>16<SEP>Drehmomentsensor <tb>17<SEP>Sendeantenne <tb>18<SEP>Empfangsantenne <tb>19<SEP>Auswerteeinheit <tb>20<SEP>Welle <tb>21<SEP>Dritter Sensor <tb>22<SEP>Display mit drei Ausgabespuren <tb>23<SEP>Sensor zur Drehmomentbestimmung <tb>P<SEP>kleinste Musterlänge <tb>A<SEP>Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Sensor <tb>B<SEP>Abstand zwischen dem dritten Sensor und einem der anderen Sensoren <tb>S1<SEP>erstes Sensorsignal <tb>S2<SEP>zweites Sensorsignal <tb>S3<SEP>drittes Sensorsignal

Claims (9)

1. Magnetisches Drehwinkel- oder Wegmesssystem mit Referenzimpuls umfassend eine mobile Einheit (2) sowie eine stationäre Einheit (3) zum zeitlichen Erfassen einer jeweils aktuellen Dreh- oder Weg-Position sowie der Laufrichtung (4) eines sich linear oder rotierend bewegenden Systems (5), wobei die mobile Einheit (2) eine Reihe (6) von einer Vielzahl von gleich ausgerichteten und zu einem gleichmässigen Muster mit einer kleinsten Musterlänge P aneinander angereihten Dipolmagneten (7) umfasst und die stationäre Einheit mindestens einen ersten Sensor (8) umfasst, der, wenn er sich in der Nähe der Reihe (6) befindet, das Magnetfeld der Dipolmagneten (7) als erstes Sensorsignal (S1) erfassen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihe (6) mindestens eine Störstelle (9) umfasst, an der das Muster geändert ist, und dass die stationäre Einheit (3) mindestens einen zweiten Sensor (10) umfasst, der, wenn er sich in der Nähe der Reihe (6) befindet, das Magnetfeld der Dipolmagneten (7) als zweites Sensorsignal (S2) erfassen kann, wobei der erste und der zweite Sensor (8, 10) in Laufrichtung (4) ausgerichtet und in einem Abstand A beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei A verschieden von einem ganzzahligen Vielfachen der halben Musterlänge P/2 ist.

2. Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand A ein ungradzahliges Vielfaches eines Viertels der Musterlänge P/4 ist.

3. Messsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Störstelle (9) einem ganzzahligen Vielfachen, ausser 4, eines Viertels der Musterlänge P/4 entspricht.

4. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dritten Sensor (21) zum Erfassen eines dritten Sensorsignal (S3), wobei der Sensor (21) mit den anderen Sensoren (8, 10) in Laufrichtung (4) ausgerichtet ist und um einen Abstand B von einem der anderen Sensoren (8, 10) beabstandet ist, wobei B ein ganzzahliges Vielfaches der halben Musterlänge P/2 ist.

5. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Einheit (3) mit einer Signalverarbeitungseinheit (11) signalverbunden ist, zum Verarbeiten der Sensorsignale (S1, S2, S3) der Sensoren (8, 10, 21).

6. Flansch (12) zum Anbringen in eine Welle (20), umfassend ein Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mobile Einheit (2) auf dem Flansch (12) angebracht ist.

7. Flansch (12) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch zwei Montageplatten (13) mit Montagevorrichtungen (14) zum beidseitigen Anbringen an eine Welle (20), wobei die Montageplatten (13) mit einem Steg (15) verbunden sind.

8. Drehmomentsensor (16) umfassend einen Flansch (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Steg (15) ein Sensor (23) angebracht ist zum Erfassen eines zwischen den beiden Montageplatten wirkenden Drehmoments.

9. Drehmomentsensor (16) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (12) eine Sendeantenne (13) und die stationäre Einheit (3) eine Empfangsantenne (14) umfasst zum telemetrischen Übermitteln eines vom Sensor (23) erfassten Drehmoment-Messsignals auf die stationäre Einheit (3).