DE10016636A1

DE10016636A1 - Stellungsregler, insbesondere für ein durch einen Antrieb betätigbares Ventil

Info

Publication number: DE10016636A1
Application number: DE10016636A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Clemens; Klaus Fiebelkorn; Gerhard Klebert; Klaus Ludwig; Andre-Heinrich Meinhof; Holger Schmaedicke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-04-04
Filing date: 2000-04-04
Publication date: 2001-10-18
Also published as: WO2001075344A1; EP1269054B1; DE50103230D1; EP1269054A1; US20030136929A1; CN1422369A; US6695282B2; CN1246618C

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stellungsregler, insbesondere für ein durch einen Antrieb betätigbares Ventil, mit einem Positionsgeber (9) zur Erfassung der Ist-Position eines Stellglieds (7) und mit einer Reglereinheit (13) zum Vergleich der Ist-Position mit einer vorgebbaren Soll-Position und zur Erzeugung eines Stellsignals. Als Positionsgeber ist ein Magnet (18) mit einem magnetoresistiven Sensor, vorteilhaft mit einem GMR-Sensor, vorgesehen. Der Positionsgeber (9) ist weniger schmutzempfindlich und verschleißbehaftet als ein herkömmliches Schleifpotentiometer. Der Stellungsregler ist somit weniger störanfällig.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellungsregler, insbesondere für ein durch einen Antrieb betätigbares Ventil, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP 0 637 713 A1 ist bereits ein derartiger Stellungs regler für ein durch einen Antrieb betätigbares Ventil be kannt. Das Ventil ist in einer Rohrleitung eingebaut und steuert durch einen entsprechenden Hub eines mit einem Ventilsitz zusammenwirkenden Schließkörpers den Durchtritt eines Mediums. Ein pneumatischer Antrieb ist über eine Schub stange mit dem Schließkörper verbunden. An die Schubstange greift ein Hebel an, der auf einen Potentiometer als Posi tionsgeber des Stellungsreglers einwirkt. Das Potentiometer erfasst die Ist-Position des Stellglieds. Diese wird in einer Reglereinheit des Stellungsreglers mit einer vorgebbaren Soll-Position verglichen. In Abhängigkeit der ermittelten Abweichung erzeugt die Reglereinheit ein Stellsignal zur Steuerung des pneumatischen Antriebs. Der Sollwert wird dem Stellungsregler durch ein normiertes Signal, beispielsweise eine 4 bis 20 mA-Schnittstelle oder ein digitales Feldbuste legramm, vorgegeben. Die Aufgabe des Stellungsreglers besteht also darin, den vorgegebenen Sollwert der Position des Stell glieds in ein pneumatisches Drucksignal umzusetzen, das dem pneumatischen Antrieb zugeführt wird und in einer ent sprechenden Position der Schubstange resultiert.

Daneben sind Klappenventile bekannt, in welchen der Öffnungs winkel einer Drehklappe mit Hilfe eines Drehpotentiometers erfasst wird. In diesem Fall erzeugt ein Stellungsregler ein Stellsignal für einen Schwenkantrieb, der die Drehklappe betätigt.

Wegen ihrer einfachen und preiswerten Technik werden zur Positionserfassung häufig Schleifpotentiometer verwendet, deren Vorteil eine relativ einfache Erzeugung eines auswert baren elektrischen Stellungssignals bei einem geringen Strom verbrauch ist. Beispielsweise ein mit 3 V betriebenes 10 kΩ Potentiometer verbraucht maximal nur 300 µA. Die Hub- oder Drehbewegung des Stellglieds wird über entsprechende Anbauteile, beispielsweise über einen Drehhebel mit einem umschaltbaren Zahnradgetriebe, auf die Drehachse des Poten tiometers gegeben und die vom Schleifer abgegriffene Teil spannung auf den Analogeingang einer analogen oder digitalen Reglereinheit übertragen. Der Erfassungsbereich des Dreh winkels für Schwenkantriebe beträgt üblicherweise maximal 120°. Für Schubantriebe beträgt der Erfassungsbereich maximal 15 mm. Die lineare Bewegung kann mittels einer Umsetzungs mechanik ebenfalls in einem Drehwinkel von maximal 120° umge wandelt werden.

In vielen Bereichen der Prozess- und Energietechnik hängt der störungsfreie Betrieb einer Anlage von der einwandfreien Funktion der eingesetzten Regelventile ab. Stillstände von Anlagen oder Anlageteilen, verursacht durch ausgefallene Kom ponenten, vermindern die Produktionskapazität und die mög liche Auslastung der Anlage erheblich. Eine Verminderung von Stillstandszeiten und eine erhöhte Anlagenzuverlässigkeit sind somit wesentliche Ziele für den wirtschaftlichen Betrieb einer Anlage.

Häufig verwendete elektromechanische Schleifpotentiometer zur Dreh- oder Linearpositionserfassung besitzen aufgrund ihres Aufbaus Nachteile in der Langzeitstabilität wegen Abnutzung und Oxidation der Kontaktbahnen sowie in der Schwingungsfes tigkeit. Nach längerem quasi-statischem Betrieb neigen ihre Schleifer zum Kleben. Durch mechanischen Verschleiß werden die Schleifer und Widerstandsschichten mit der Zeit abgenutzt oder durch Alterung und Oxidation in ihrer Beschaffenheit verändert. Bei elektromechanischen Schleifpotentiometern wird die Dreh- oder Linearbewegung mittels einer durchgehenden Achse übertragen. Eine geeignete Abkapselung vor Umweltein flüssen ist daher sehr aufwendig und selbst von Alterung und Verschleiß betroffen.

Aus der EP 0 680 614 B1 ist eine Vorrichtung zum Erfassen einer Winkelposition eines Objektes bekannt. Die in dieser Patentschrift beschriebenen Sensoren nach dem giant magneto resistiven (GMR-)Effekt bestehen aus abwechselnd hartmagne tischen und weichmagnetischen Metallschichten. Diese sind jeweils nur wenige Atomlagen dick und werden auf einem Sili ziumträgermaterial aufgesputtert. Diese Sensoren besitzen eine große Abhängigkeit ihres Widerstands von der Richtung eines einwirkenden Magnetfeldes. Mit einem GMR-Sensor ist somit eine Winkelpositonsänderung eines Magneten gut erfass bar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellungs regler, insbesondere für ein durch einen Antrieb betätigbares Ventil, zu schaffen, der sich bei geringem Herstellungsauf wand durch eine verbesserte Unempfindlichkeit gegen Störungen auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Stellungsregler der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Stellungsreglers be schrieben.

Durch die Erfindung werden die Nachteile herkömmlicher Potentiometer vermieden, da ein kontaktloses Potentiometer, das im Wesentlichen aus einem Magneten und einem magneto resistiven Sensor besteht, verwendet wird. Der neue Posi tionsgeber liefert auch im statischen Fall die genaue Ist- Position des Stellglieds. Eine ohnehin geringe Unlinearität des Ausgangssignals ist leicht kompensierbar. Zwischen Magnet und magnetoresistivem Sensor kann in einfacher Weise eine Trennwand zur Kapselung und damit zum Schutz vor Umweltein flüssen angebracht werden. Der Positionsgeber ist somit äußerst unempfindlich gegen Verschmutzung und rauhe Umgebung. Der Magnet kann außerhalb des Sensorgehäuses an einem Schub- oder Schwenkantrieb leicht so befestigt werden, dass seine magnetischen Feldlinien durch die Gehäusewand auf den magne toresistiven Sensor einwirken. In das Sensorgehäuse ist eine Auswerteschaltung integrierbar, die anhand der Widerstands änderung des magnetoresistiven Sensors eine dem Drehwinkel bzw. dem linearen Weg des Magneten proportionale Spannung erzeugt und somit einer Reglereinheit ein der Ist-Position entsprechendes, gegenüber Störeinflüssen unempfindliches Signal liefert.

In einfacher Weise ist ein minimaler Abstand zwischen Magnet und Sensor einzuhalten, um insbesondere bei einem GMR-Sensor eine Beschädigung der hartmagnetischen Schichten zu vermei den, da bei diesem Sensortyp die Stärke des Magnetfelds 15 kA/m nicht übersteigen darf. Durch das kontaktlose Prinzip des neuen Positionsgebers entfällt das Problem kratzender oder klebender Schleifpotentiometer. Bei Anwendungen, in denen das Potentiometer einem permanenten Rütteln ausgesetzt ist, bietet das kontaktlose Prinzip ebenso Vorteile wie im quasi-statischen Fall, wenn die Potentiometerstellung über lange Zeit nicht verändert wird und sich der Schleifer eines Schleifpotentiometers durch Regelunruhe in der Strecke in die Widerstandsschicht eingraben und evtl. dort hängen bleiben würde. Bildet der Magnet das mit dem Stellglied gekoppelte Bewegungsteil des Positionsgebers, so koppelt er ohne me chanische Durchführung die Stellbewegung durch sein Magnet feld in den magnetoresistiven Sensor ein. Durch entsprechende Anbauteile kann in einfacher Weise eine exakte Dreh- oder Linearbewegungsführung des Bewegungsteils sichergestellt werden.

Wird der Magnet als Permanentmagnet ausgebildet, so ermög licht dies einen besonders einfachen Aufbau, da der Magnet keine Stromzuführung benötigt und den Strombedarf des Posi tionsgebers nicht erhöht.

Eine vorteilhaft deutliche Widerstandserhöhung des magneto resistiven Sensors ergibt sich, wenn ein sogenannter aniso trop magnetoresistiver Sensor verwendet wird. Bei Drehungen der Magnetisierung der Schicht bezüglich der Stromrichtung eines in der Schicht des Sensors fließenden Messtroms tritt bei diesem Sensortyp eine Widerstandsänderung auf, die einige Prozent des normalen isotropen Widerstandes betragen kann. Damit wird ein ausreichend hoher Signalstörabstand des Mess signals erreicht.

Wird ein sogenannter giant magnetoresistiver (GMR-)Sensor eingesetzt, so hat dies den Vorteil, dass die Widerstandsän derung in einem weiten Bereich feldstärkeunabhängig ist und lediglich empfindlich auf die Richtung des Magnetfeldes reagiert. Die Richtungsabhängigkeit des Widerstands ähnelt einer Cosinusfunktion und ist somit in einem großen Bereich nahezu linear.

In vorteilhafter Weise ist derselbe Sensoraufbau sowohl für einen Anbau an Drehantrieben als auch für einen Anbau an Schubantrieben geeignet, ohne dass konstruktive Änderungen vorgenommen werden müssen. Dazu wird der GMR-Sensor im Rand bereich eines Gehäuses derart angeordnet, dass derselbe Sensor zur Detektion einer relativen Drehbewegung zumindest näherungsweise auf der Drehachse eines für diesen Fall vorge sehenen Magneten und zur Detektion einer relativen Verschie bung gemeinsam mit einem für diesen Fall vorgesehenen Magne ten in einer im Wesentlichen senkrecht zur oben erwähnten Drehachse verlaufenden Ebene positionierbar ist. Dabei beträgt der Abstand zwischen dem Sensor und der zum Magneten weisenden Gehäusewand vorzugsweise etwa 5 mm. Damit ist sichergestellt, dass der erforderliche Mindestabstand zwischen Magnet und Sensor eingehalten wird. Durch die Ver wendbarkeit bei Dreh- und Schubantrieben werden Logistik- und Lagerhaltungskosten reduziert, da nur ein GMR-Sensortyp bevorratet werden muss.

Eine verbesserte Messgenauigkeit bei Temperaturschwankungen wird erreicht, wenn im Gehäuse des GMR-Sensors eine Tempera turkompensationsschaltung angeordnet ist. Für eine besonders gute Temperaturkompensation kann der Brückenwiderstand des GMR-Sensors gleichzeitig als Messwiderstand der Temperatur kompensationsschaltung genutzt werden. Dadurch entfallen Probleme einer thermischen Kopplung zwischen Messwiderstand und GMR-Sensor völlig.

In vorteilhafter Weise wird der GMR-Sensor auf der einen Seite und die Temperaturkompensationsschaltung auf der ande ren Seite derselben Leiterplatte angeordnet. Die Bauelemente der Temperaturkompensationsschaltung, die üblicherweise größere Gehäuse besitzen als das Bauelementegehäuse des GMR- Sensors, müssen somit nicht zwischen GMR-Sensor und der zum Magneten weisenden Außenseite des Positionsgebergehäuses an geordnet werden und beeinflussen deren Abstand nicht. Damit ist ein geringerer Abstand zwischen der Oberkante des Bau elementegehäuses des GMR-Sensors und der Gehäuseaußenseite möglich.

Bei geringem Aufwand kann eine exakte Positionierung von Magnet zum GMR-Sensor erreicht werden, wenn am Gehäuse des GMR-Sensors eine Zentrierhilfe für die Einstellung der rela tiven Lage des Magneten zum Sensor bei der Montage vorgesehen ist. Diese Positionierhilfe kann als ein auf den Magneten aufsetzbares und nach der Montage wieder abnehmbares Formteil ausgebildet werden, das formschlüssig in einer Ausnehmung am Gehäuse des GMR-Sensors bei der Montage eingesetzt wird. Nach der Befestigung von Magnet und GMR-Sensor wird das Formteil wieder entnommen.

Eine mechanisch formschlüssige Gestaltung von Bewegungsteil und Sensorgehäuse gewährleistet die räumlich lagerichtige Zuordnung von Magnet und Sensor. Die Verbindungen der beiden Teile zu einem kompletten Positionsgeber kann dabei kraft schlüssig erfolgen. Der Positionsgeber kann alternativ auch als mechanisch einteiliger, kompletter Positionsgeberblock aufgebaut sein, der Bewegungsteil mit Magnet, GMR-Sensor und Auswerteelektronik enthält und einen definierten Abstand zwischen dem Magneten und dem GMR-Sensor gewährleistet. Die prinzipiell sowohl mechanisch, wie auch galvanisch vom Bewegungsteil völlig trennbare, aktive Auswertungselektronik ermöglicht eine sowohl gegen elektrische wie auch magnetische Störeinflüsse einfach abschirmbare, störsichere und robuste Positionsgeberelektronik in Kleinbauform. Der Magnet selbst kann dabei ohne eine mechanische Durchführung durch eine Trennwand zum Gehäuse des GMR-Sensors mit diesem in einer gemeinsamen Abschirmkammer liegen, die vor elektrostatischen und elektromagnetischen Störungen schützt. Zum Einsatz in extrem gestörten Bereichen kann eine entsprechende äußere Abschirmung, die auch den Magneten einschließt, als ein bei Bedarf ergänzbares Bauteil ausgeführt werden.

Damit die Reglereinheit nicht der evtl. hohen Temperatur, die beim Positionsgeber am Stellglied herrscht, ausgesetzt ist, kann sie in vorteilhafter Weise in einem zweiten, vom Gehäuse des GMR-Sensors getrennten Gehäuse angeordnet werden. In die sem Fall werden der Positionsgeber und die Reglereinheit durch ein Medium zur Übertragung der Ist-Position des Stell glieds, beispielsweise durch ein elektrisches Kabel, mit einander verbunden. Die Erfassung der Linear- oder Drehbewe gung erfolgt dabei direkt am Antrieb oder Stellglied durch den Positionsgeber in einem Sensorgehäuse, das durch einen entsprechenden Anbausatz befestigt wird. Das Sensorgehäuse kann auch durch das Gehäuse eines Stellungsreglers gebildet werden, in welchem für den getrennten Aufbau lediglich die Schaltungsteile des Positionsgebers untergebracht sind. Die Reglereinheit des Stellungsreglers kann in einiger Entfernung beispielsweise an einem Montagerohr oder ähnlichen Montage hilfe angebaut werden und ist mit dem Positionsgeber über eine elektrische Kabelverbindung und mit dem pneumatischen Antrieb über eine oder zwei pneumatische Leitungen verbunden. Eine Unterbringung von Positionsgeber und Reglereinheit in getrennten Gehäusen ist dann sinnvoll, wenn die Umgebungsbe dingungen am Stellglied die für die Reglereinheit spezi fizierten Werte überschreiten. Das kann beispielsweise der Fall sein bei einer hohen Temperatur am Ventil oder Antrieb aufgrund eines heißen Fließmediums, bei starken Schwingungen oder Vibrationen am Ventil oder Antrieb oder wenn am Ventil oder Antrieb wenig Platz für den Anbau des vollständigen Stellungsreglers vorhanden ist.

Weitere Vorteile des neuen Stellungsreglers sind seine Ein setzbarkeit in explosionsgefährdeten Bereichen durch seinen niedrigen Leistungsbedarf und einfach integrierbare Schutz schaltungen, weite Versorgungsspannungstoleranzen, eine Minimierung von externen Störeinflüssen durch integrierte Schirme und EMI-Filter, eine Minimierung der Temperaturein flüsse bei kleinem Speisestrom, eine Minimierung und stabile Reproduzierbarkeit der Hysterese als Funktion des Drehwinkels zwischen Magnet und GMR-Sensor sowie der Feldstärke.

Die kleinen Schwankungen der Hysterese und der geringen Unlinearität, die sich aus der Exemplarstreuung der GMR- Sensoren ergeben, sind bei der Anwendung als Positionsgeber in einem Stellungsregler irrelevant. Wenn die Ist-Position als Information durch den Stellungsregler an weitere Kompo nenten einer Anlage ausgegeben werden soll, kann das Aus gangssignal entsprechend der bekannten Linearitäts- und Hysteresekennlinie des einzelnen GMR-Sensors einfach korri giert und aktiv gefiltert werden. Dazu können bei Bedarf in einem Mikrocontroller des Stellungsreglers die exemplarspezi fischen Korrekturdaten des GMR-Sensors gespeichert werden. Für eine vereinfachte Korrektur der Linearitäts- und Hystere sefehler genügt die exemplarspezifische Ermittlung und Speicherung von fünf charakteristischen Stützwerten, die unter Standardbedingungen aufgenommen werden. Die Stützwerte können beispielsweise an den Stellen der maximalen Steigungsänderung der Kennlinien liegen. Für eine exaktere Korrektur können auch die gesamten Kennlinien mit der gewünschten Auflösung in einem seriell auslesbaren, mit den GMR-Sensor ausgelieferten und diesem durch eine Identifi kationskennung zugeordneten Speichermedium abgelegt werden. Der Inhalt des Speichermediums kann beispielsweise bei der Installation des GMR-Sensors in den Mikrocontroller geladen werden.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Regelventil,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Positionsgebers,

Fig. 3 eine Schaltung zur Temperaturkompensation,

Fig. 4 eine Schaltung zur Verstärker- und Offsetein stellung,

Fig. 5 eine Flachbaugruppe mit den Schaltungen nach den Fig. 3 und 4,

Fig. 6 einen Metallschirm für die Flachbaugruppe nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen geöffneten Metallschirm,

Fig. 8 eine Seitenansicht eines geöffneten Metallschirms,

Fig. 9 ein Gehäuse für einen GMR-Sensor,

Fig. 10 einen Verschlussdeckel für das Gehäuse nach Fig. 9,

Fig. 11 eine Ansicht eines Winkelpositionsgebers von unten,

Fig. 12 eine Seitenansicht des Winkelpositionsgebers nach Fig. 11,

Fig. 13 eine Ansicht eines Linearpositionsgebers von unten und

Fig. 14 eine Seitenansicht des Linearpositionsgebers nach Fig. 13.

In eine Rohrleitung 1 einer nicht weiter dargestellten pro zesstechnischen Anlage ist gemäß Fig. 1 ein Ventil 2 einge baut, das durch einen entsprechenden Hub eines mit einem Ventilsitz 3 zusammenwirkenden Schließkörpers 4 den Durch fluss eines Mediums 5 steuert. Der Hub wird durch einen pneumatischen Antrieb 6 erzeugt und mittels einer Ventil stange 7 auf den Schließkörper 4 übertragen. Der Antrieb 6 ist über ein Joch 8 mit dem Gehäuse des Ventils 2 verbunden. An dem Joch 8 ist ein Positionsgeber 9 angebracht, der ein gangsseitig über ein an der Ventilstange 7 geführtes Verbin dungsstück 10 den Hub erfasst und ein dem Hub entsprechendes analoges Ausgangssignal 11 erzeugt. Im pneumatischen Antrieb 6 befindet sich eine im Wesentlichen horizontal verlaufende Membran, welche eine obere von einer unteren Kammer trennt. Über eine Rohrleitung 12 ist die untere Kammer mit einer Reglereinheit 13 verbunden, die in einem vom Gehäuse des Positionsgebers 9 getrennten Gehäuse untergebracht ist. In der oberen Kammer ist eine Feder angeordnet, welche gegen den Druck der unteren Kammer wirkt und im drucklosen Fall das Ventil 2 verschließt. Durch Ventile in der Reglereinheit 13 gesteuert kann über eine Leitung 14 zugeführte Zuluft mit einem Druck P über die Leitung 12 in die untere Kammer ein geleitet oder Abluft über eine Leitung 15 in die Umgebung gelassen werden. Die Reglereinheit 13 vergleicht die mit dem Signal 11 erhaltene Ist-Position der Ventilstange 7, die regelungstechnisch als Stellglied bezeichnet werden kann, mit einem über eine Datenschnittstelle 16 von einem Feldbus 17 zugeführten Sollwert und regelt durch entsprechende Einstel lung der Luftströmung in der Rohrleitung 12 eine evtl. vor handene Regeldifferenz aus. Das Verbindungsstück 10 ist durch einen Hebelarm realisiert, der zwischen zwei an der Ventil stange 7 angebrachten Stiften geführt ist und somit den Hubbewegungen der Ventilstange 7 folgt. Ein an diesem Hebel befestigter Magnet 18 ist im Gehäuse des Positionsgebers 9, das auch einen GMR-Sensor enthält, drehbar gelagert und wird durch den Hebel in eine dem Hub der Ventilstange 7 ent sprechende Drehbewegung versetzt. Während der Positionsgeber 9 am Joch 8 befestigt und somit einer evtl. hohen Umge bungstemperatur ausgesetzt ist, kann die Reglereinheit 13 entfernt hiervon in weniger rauher Umgebung beispielsweise an einem in der Fig. 1 nicht dargestellten Montagerohr befes tigt werden. Dadurch wird der Einsatzbereich des Stellungs reglers, der üblicherweise empfindliche Ventile zur pneuma tischen Steuerung enthält, erweitert.

Ein Prinzipschaltbild einer in den Positionsgeber 9 (Fig. 1) integrierten Auswerteschaltung mit GMR-Sensor ist in Fig. 2 dargestellt. Prinzipiell besteht die Auswerteschaltung für die von der Richtung des Magnetfelds abhängige Widerstands änderung des GMR-Sensors aus einer Schaltung 20 zur Versor gung der Messbrücke und zur Temperaturkompensation, welche unter anderem die Messbrücke selbst enthält, sowie aus einer Schaltung 21 zur Signalkonditionierung mit Offsetbildung und Verstärkung eines Brückenausgangssignals dU, das von der Schaltung 20 geliefert wird. Die Schaltung 21 erzeugt ein Ausgangssignal 22, beispielsweise mit einem Wertebereich von 0,1 bis 2,5 V, welches die Ist-Position des Stellglieds dar stellt. Das Ausgangssignal 22 entspricht dem Signal 11 in Fig. 1. In Fig. 2 nicht dargestellt sind weitere Schaltungs teile, z. B. EMI-Filter und redundante elektronische Strom- und Spannungsbegrenzungen, die in den Anschlusszweigen der Schaltung liegen und der Störsicherheit dienen sowie bezüg lich des Explosionsschutzes unzulässige Betriebszustände vermeiden. Die gesamte Auswerteschaltung zeichnet sich durch einen besonders geringen Strombedarf von weniger als 300 µA aus.

Fig. 3 ist eine Detaildarstellung der Schaltung 20 (Fig. 2), die zur Temperaturkompensation und zur Versorgung eines GMR-Sensors 30 dient. Der GMR-Effekt ist temperaturab hängig. Die Brückenausgangsspannung dU kann durch die folgen de Formel angenähert werden:

mit
α - der zwischen der Richtung des magnetischen Feldes und dem GMR-Sensor eingeschlossene Winkel,
T - Temperatur des GMR-Sensors 30,
T₀ - 20°C,
R₀ - Widerstand bei 20°C,
Tk_{ΔR/Ro_lin} und Tk_{ΔR/Ro_Q} - Kompensationsparameter und
U_off - eine Offsetspannung.

Um einem Abfallen der Brückenausgangsspannung dU des GMR- Sensors 30 mit der Temperatur entgegenzuwirken, wird eine Versorgungsspannung Ub der Brücke entsprechend erhöht. Diese Funktion wird mit der in Fig. 3 dargestellten Schaltung realisiert. Ohne einen Widerstand R_komp würde die Schaltung eine Konstantstromquelle für einen Strom Ib darstellen, dessen Wert durch einen Widerstand R1 und die Spannung an einem Spannungsteiler eingestellt wird, der mit Widerständen R4 und R5 sowie R3 gebildet ist. Versorgt wird der Spannungs teiler mit einer Spannung V_ref = 2,5 V. Da der Widerstand der GMR-Sensorbrücke R_sen mit der Temperatur steigt, die mit der Richtung des Magnetfeldes sich ändernde Spannung dU am Brückenausgang aber um etwa das zweifache fällt, reicht die Spannungserhöhung durch die Konstantstromquelle nicht aus, um die Amplitude der Brückenausgangsspannung dU unabhängig von der Temperatur konstant zu halten. Deshalb wird die Spannungserhöhung durch eine positive Rückkopplung mit dem Widerstand R_komp derart eingestellt, dass durch diese der Rückgang des Sensoreffektes an der Sensorbrücke ausgeglichen wird. Der Brückenwiderstand des GMR-Sensors 30 selbst dient dabei als Temperatursensor. Für eine optimale Temperatur kompensation wird R_komp festgelegt zu:

Diese Schaltung zeichnet sich bei geeigneter Wahl der Werte der Widerstände R1, R3, R4 und R5 durch einen besonders nied rigen Stromverbrauch bei guter Genauigkeit der Temperaturkom pensation aus.

Das Ausgangssignal dU des GMR-Sensors 30 (Fig. 3) wird mit der in Fig. 4 gezeigten Schaltung bezüglich seiner Verstär kung und seiner Offseteinstellung angepasst. Ein Operations verstärker 40, der mit einer Versorgungsspannung Ucc = 3 V betrieben wird, dient gemeinsam mit einem Spannungsteiler mit Widerständen R_off und R9, an welchem eine Referenzspannung Uref = 2,5 V angelegt ist, zur Offseteinstellung. Die am Ausgang des Operationsverstärkers 40 erhaltene Ausgangs spannung ist auf einen Differenzverstärker 41 geführt, der zur Einstellung der Verstärkung dient. Dieser Differenzver stärker 41 wird ebenfalls mit einer Versorgungsspannung Ucc = 3 V betrieben. Auf diese Weise wird das differentiell vor liegende Signal dU von etwa 3 mV auf 1,2 V verstärkt und auf ein mittleres Potential von 1,3 V angehoben. Ein Ausgangs signal 42, das dem Signal 11 in Fig. 1 entspricht, hat einen Wertebereich von 0,1 bis 2,5 V. Ein Verstärkerwiderstand R_gain wird derart dimensioniert, dass der Wertebereich des Aus gangssignals dU des GMR-Sensors 30 (Fig. 3) auf den Werte bereich des Ausgangssignals 42 abgebildet wird. Auch diese Schaltung zeichnet sich durch einen besonders geringen Strom verbrauch aus. Dies ist besonders wichtig bei Verwendung des Positionsgebers in Kombination mit einem Feldbus, über welchen die zum Betrieb der Schaltungsteile erforderliche Betriebsenergie gemeinsam mit den Informationssignalen über tragen wird. Auch bei Verwendung einer 4 bis 20 mA-Schnitt stelle für den Stellungsregler ist ein geringer Stromver brauch der Schaltungsteile von besonderer Bedeutung, da der Stellungsregler lediglich mit einem Betriebsstrom von etwa 4 mA auskommen muss.

Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit zur räumlichen Anordnung eines GMR-Sensors 50 und einer Auswerteschaltung auf einer Leiter platte 52. Der GMR-Sensor 50 ist auf der abgewandten Unter seite der hier zur besseren Verdeutlichung transparent darge stellten Leiterplatte 52 angebracht, während die Bauelemente 51 der Auswerteschaltung auf der Oberseite bestückt sind. Dadurch wird erreicht, dass die höheren Bauelemente 51 der Auswerteschaltung nicht bei der Festlegung des Abstandes zwischen der Oberkante des GMR-Sensors 50 und der Gehäuse außenseite berücksichtigt werden müssen. An der Vorderkante der Leiterplatte 52 sind vier Lötfahnen 53 bestückt, in welchen Kabelenden 54 eines Kabels 55 eingelötet werden. Zwei Adern des Kabels dienen zur Ausgabe des Ausgangssignals (11 in Fig. 1), die zwei weiteren Adern zur Versorgung der elek tronischen Schaltungsteile des Positionsgebers.

Alternativ zu den beschriebenen Ausführungsbeispiel mit einem GMR-Sensor 50 kann der Sensor auch als sogenannter anisotrop magnetoresistiver Sensor ausgebildet sein. Das Schaltungs prinzip der Auswerteschaltung bleibt davon unberührt.

Die so bestückte Flachbaugruppe 56 wird in einen Metallschirm 60 eingesetzt, der in Fig. 6 in gefalteten und in den Fig. 7 und 8 in geöffnetem Zustand dargestellt ist.

In den Figuren sind jeweils gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zur lagerichtigen Aufnahme der Flachbaugruppe 56 sind drei Lötstifte 61, 62 und 63 vorgesehen, welche in dazu korrespondierende Bohrungen der Leiterplatte 52 hineinragen und dort zur Montage eingelötet werden. Nach Einlöten der Leiterplatte 52 wird der Metall schirm zusammengefaltet und das Kabel 55 in Klemmlaschen 64, 65 und 66 eingelegt und dort durch Klemmkraft gehalten. In dem Bereich, in welchem der GMR-Sensor 50 zu liegen kommt, ist im Metallschirm 60 eine im Wesentlichen halbkreisförmigem Ausnehmung 67 angebracht, damit ein magnetisches Feld den Metallschirm 60 durchdringen und den GMR-Sensor 50 erreichen kann. Eine Ausnehmung 68 dient zur exakten Positionierung des Metallschirms 60 in einem Gehäuse 90, das in Fig. 9 darge stellt ist. Die Ausnehmung 68 wird beim Einfügen in das Gehäuse 90 auf eine Rippe aufgeschoben, welche in Fig. 9 durch die Gehäuseoberseite verdeckt wird. Bei erfolgter Zentrierung kommt diese Rippe in einer Nut 69 der Ausnehmung 68 zu liegen. Das Gehäuse 90 des GMR-Sensors 50 besteht beispielsweise aus Kunststoff oder einem nicht ferromagne tischen Material, welches die Flachbaugruppe 56 vor Umwelt einflüssen schützt. Gleichzeitig bietet das Gehäuse 90 Be festigungsmöglichkeiten für den Positionsgeber am Einsatzort. Zur einfachen Befestigung an genormten Anbausätzen sind zwei Aufnahmeöffnungen 91 und 92 für Schrauben sowie ein Posi tionierstift 93 am Gehäuse 90 angebracht. Der Positionier stift 93 ist in Fig. 9 verdeckt und lediglich in den Fig. 11 und 13, welche die Ansicht des Gehäuses von unten wieder geben, sichtbar. Mit diesen Befestigungsmöglichkeiten ist in jedem Fall eine stabile Zuordnung des Positionsgebers zum Stellglied realisierbar.

Nach Einschieben des mit der Flachbaugruppe 56 bestückten und gefalteten Metallschirms 60 in das Gehäuse 90 wird dieses durch einen in Fig. 10 dargestellten Deckel 100 ver schlossen, der zu den Gehäuseinnenseiten korrespondierende Führungslaschen 101 bis 104 aufweist.

Der Metallschirm 60 ist zwischen der Flachbaugruppe 56 und dem Gehäuse 90 aus Gründen der elektromagnetischen Verträg lichkeit angeordnet, d. h. um die Beeinflussung der Auswerteschaltung durch elektromagnetische Störungen zu vermeiden und um die Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen zu verhin dern. Alternativ zu den gezeigten Ausführungsbeispiel kann eine elektromagnetische Abschirmung durch eine Metallisierung eines Gehäuses aus Kunststoff oder durch einen Einsatz von metallfasergefülltem Kunststoff erreicht werden. Der dabei verwendete Werkstoff darf jedoch, um die Funktion des GMR- Sensors nicht zu beeinträchtigen, im Bereich des GMR-Sensors keine ferromagnetischen Eigenschaften besitzen.

Die Flachbaugruppe 56 kann zum verbesserten Schutz und zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen im Gehäuse 90 mit einem isolierenden Füllstoff vergossen werden.

Das vieradrige Kabel 55 zur Verbindung des Positionsgebers mit der Reglereinheit kann je nach Einsatzfall einfach oder doppelt geschirmt ausgeführt werden. Eine elektrische Verbin dung der Kabelschirme mit der Flachbaugruppe 56 und/oder dem Metallschirm 60 ist in einfacher Weise möglich.

In den Fig. 11 bis 14 wird die räumliche Anordnung eines Magneten zum Gehäuse 90 deutlich. Zur Erfassung von Dreh winkeln befindet sich ein Magnet 94 etwa mittig unter einer im Wesentlichen halbkreisförmigen Ausnehmung 95 im Gehäuse 90. Die Ausnehmung 95 stellt eine Zentrierhilfe für die Einstellung der relativen Lage des Magneten 94 zum GMR-Sensor 50 dar, der sich im Gehäuse 90 befindet. Dazu kann in die Ausnehmung 95 ein formschlüssiges Positionierwerkzeug einge legt werden, welches den Magneten 94 aufnimmt. Nach fester Montage des Magneten an einem in den Fig. 11 und 12 nicht weiter dargestellten Bewegungsteil ist der Magnet 94 zent riert und das Positionierwerkzeug kann entfernt werden. Die Drehachse des Magneten 94 verläuft in Fig. 11 senkrecht zur Zeichnungsebene. Die Drehbarkeit des Magneten 94 ist durch einen Pfeil 96 angedeutet. In Fig. 12 verläuft die Drehachse durch die Mitte des Magneten 94 in horizontaler Richtung. Die Fig. 13 und 14 zeigen die Anordnung eines Magneten 97 zur Erfassung von Linearbewegungen. Dies ist durch einen Ver schiebepfeil 98 angedeutet. Der Magnet 97 befindet sich hier gemeinsam mit dem GMR-Sensor 50, der innerhalb des Gehäuses 90 angeordnet ist, im Wesentlichen in einer senkrecht zu der oben beschriebenen Drehachse verlaufenden Ebene, die parallel zur Zeichnungsebene der Fig. 13 liegt. Wiederum kann durch ein Positionierwerkzeug, das formschlüssig zur Ausnehmung 95 sowie zum Magneten 97 ausgebildet ist, die exakte Posi tionierung des Magneten erleichtert werden. Durch die gewähl te Anordnung des GMR-Sensors 50 in seinem Gehäuse 90 wird erreicht, dass derselbe GMR-Sensor sowohl zur Erfassung von Drehwinkeln als auch von Linearbewegungen ohne konstruktive Änderungen seines Gehäuses geeignet ist. Die Magneten 94 und 97 sind in einem in den Figuren nicht dargestellten Kunst stoffteil gefasst und zum Schutz vor Umwelteinflüssen ver gossen. Die Führung der Magneten 94 und 97 in einem in den Zeichnungen nicht dargestellten Bewegungsteil werden konstruktiv an die jeweiligen Einbaubedingungen angepasst, so dass die Dreh- oder Linearbewegung eines Stellglieds in eine dazu korrespondierende Dreh- oder Linearbewegung der Magneten 94 bzw. 97 umgesetzt wird.

Claims

1. Stellungsregler, insbesondere für ein durch einen Antrieb (6) betätigbares Ventil (2),
mit einem Positionsgeber (9) zur Erfassung der Ist-Position eines Stellglieds (7) und
mit einer Reglereinheit (13) zum Vergleich der Ist-Position
mit einer vorgebbaren Soll-Position und zur Erzeugung eines Stellsignals, dadurch gekennzeichnet, dass als Positionsgeber (9) ein Magnet (18) und ein magneto resistiver Sensor (50) vorgesehen sind, welche korrespondie rend zu einer Bewegung des Stellglieds (7) relativ zueinander dreh- oder verschiebbar sind.

2. Stellungsregler nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Magnet (18) als Permanent magnet ausgebildet ist.

3. Stellungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als sogenannter anisotrop magnetoresistiver Sensor ausgebildet ist.

4. Stellungsregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor als sogenannter giant magnetoresistiver (GMR-)Sensor ausgebildet ist.

5. Stellungsregler nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, dass der GMR-Sensor (50) im Rand bereich eines Gehäuses (90) angeordnet ist derart, dass der selbe Sensor (50) zur Detektion einer relativen Drehbewegung zumindest näherungsweise auf der Drehachse eines für diesen Fall vorgesehenen Magneten (94) positionierbar ist und dass der Sensor zur Detektion einer relativen Verschiebung gemein sam mit einem für diesen Fall vorgesehenen Magneten (97) in einer im Wesentlichen senkrecht zur oben erwähnten Drehachse verlaufenden Ebene positionierbar ist.

6. Stellungsregler nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, dass im Gehäuse des GMR-Sensors (50) eine Temperaturkompensationsschaltung angeordnet ist.

7. Stellungsregler nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, dass der Brückenwiderstand des GMR- Sensors (30) der Messwiderstand der Temperaturkompensations schaltung ist.

8. Stellungsregler nach Anspruch 6 oder 7, dass der GMR- Sensor (50) auf der Unterseite und die Temperaturkompensa tionsschaltung auf der Oberseite derselben Leiterplatte (52) angeordnet sind.

9. Stellungsregler nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da durch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (90) des GMR-Sensors (50) eine Zentrierhilfe (95) für die Einstel lung der relativen Lage des Magneten (94, 97) zum Sensor (50) bei der Montage vorgesehen ist.

10. Stellungsregler nach einem der Ansprüche 5 bis 9, da durch gekennzeichnet, dass die Reglereinheit (13) in einem zweiten, vom Gehäuse (90) des GMR-Sensors (50) getrennten Gehäuse angeordnet ist.