DE102004053551A1

DE102004053551A1 - Vorrichtung zum Erfassen eines beweglichen oder bewegbaren elektrisch und/oder magnetisch leitenden Teiles

Info

Publication number: DE102004053551A1
Application number: DE200410053551
Authority: DE
Inventors: Gabriel Daalmans
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2006-05-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen eines beweglichen oder bewegbaren elektrisch und/oder magnetisch leitenden Teiles (1). Die Vorrichtung umfasst einen ersten elektrischen Schaltkreis, einen zweiten elektrischen Schaltkreis und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (5). Der erste elektrische Schaltkreis weist wenigstens ein erstes induktives Element (9) und eine erste Spannungsquelle (11) auf. Der zweite elektrische Schaltkreis weist wenigstens ein magnetfeldsensitives Element (1) mit magnetfeldsensitiver Impedanz, ein kapazitives Element (2) und ein zweites induktives Element (3) auf. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (5) ist dem zweiten Schaltkreis nachgeschaltet und zum Ansteuern einer Last (8) vorgesehen. Der erste und zweite elektrische Schaltkreis sind voneinander getrennt ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen eines beweglichen oder bewegbaren elektrisch und/oder magnetisch leitenden Teiles gemäß dem Patentanspruch 1.

Für zahlreiche technische, industrielle oder gewerbliche Vorgänge in unterschiedlichen Bereichen ist es erforderlich oder vorteilhaft, Informationen über die Position und/oder Geschwindigkeit von beweglichen oder bewegbaren Teilen zur Verfügung zu haben. Sind die beweglichen oder bewegbaren Teile zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Metall, können diese mit Hilfe eines Magnetfeldes erfasst werden.

Eine herkömmliche Vorrichtung der eingangs genannten Art ist schematisch in 6 dargestellt. Die Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist zum Erfassen eines beweglichen oder bewegbaren Teiles 13 vorgesehen, das vollständig oder teilweise aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Metall, hergestellt ist. Die Vorrichtung umfasst eine Spule 14 und einen Kondensator 15, die zusammen einen Resonanzkreis 16 bilden. Der Resonanzkreis 16 dient einerseits als Erregerkreis und andererseits als Detektorkreis. Der Resonanzkreis 16 erzeugt Wirbelströme in dem bewegbaren Teil 13. Die induktive Kopplung zwischen dem bewegbaren Teil 13 und der Spule 14 ändert die effektive Induktivität und die Verluste des Resonanzkreises 16. Somit ändert sich auch die Ausgangsspannung U am Resonanzkreis 16, der als Parallelresonanzkreis ausgebildet ist, wie in 6 dargestellt ist. Die Ausgangsspannung U ist im Resonanzfall gegeben durch U = I Q ωR L/(1 + RW/R0). (1)

Dabei ist I der Erregerstrom, Q die Güte im Resonanzfall, ω_R die Resonanzfrequenz, L die Induktivität, R_W der Widerstand aufgrund von Wirbelstromverlusten und R₀ der Widerstand ohne Wirbelströme. Die Güte ist gegeben durch

wobei L₀ die Induktivität ohne Wirbelströme und C die Kapazität des Kondensators 15 ist. Die Resonanzfrequenz ist gegeben durch ω_R = 1/√(LC). Wenn es sich um einen Serienresonanzkreis handelt, wird für die an dem Kondensator anliegende Spannung ein ähnlicher Ausdruck erhalten, wobei der Serienresonanzkreis mit Spannungsanregung an Stelle von Stromanregung arbeitet. Dem Resonanzkreis 16 ist eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 17, ein steuerbarer Schalter 18 und ein Wechselrichter 19 nachgeschaltet. Die Vorrichtung ist zum Schalten einer Last 20 vorgesehen.

Die Genauigkeit des Schaltvorgangs hängt damit zusammen, wie empfindlich die Spannung U auf eine Variation des Abstandes d zwischen dem bewegbaren Teil 13 und dem Resonanzkreis 16 reagiert. Die Empfindlichkeit wird von den wirbelstromabhängigen Komponenten des Widerstands R = R₀ + R_W und der Induktivität L = L₀ – L_W bestimmt, wobei R₀ der Anteil des Widerstands und L₀ der Anteil der Induktivität des Resonanzkreises jeweils ohne Wirbelstromverluste ist. Die vom Wirbelstrom abhängigen Anteile R_W und L_W sind auch von der Erregerfrequenz und den Materialeigenschaften des bewegbaren Teiles 13, wie zum Beispiel vom spezifischen Widerstand oder von der relativen Permeabilität, abhängig. Unter der Annahme, dass der Einfluss auf den Widerstand dominiert, ergibt sich für die Empfindlichkeit der Vorrichtung ∂U/∂d = –I Q ωR L [∂(RW/R0)/∂d]/(1 + RW/R0)2. (2)

Der Ausdruck ∂RW/∂d = (∂RW/∂BW) (∂BW/∂d) (3) verdeutlicht, dass die Abhängigkeit der Verluste vom Abstand wiederum von der Abstandsabhängigkeit des Wirbelstromfeldes B_W abhängt. Die Empfindlichkeit ist direkt proportional zum Erregerstrom I, zur Güte Q, zur Resonanzfrequenz ω_R und zur Induktivität L. Der Nenner in Gleichung (3) ist bei einer geeigneten Dimensionierung etwa Eins und hat somit keinen wesentlich Einfluss auf die Empfindlichkeit. Der Ausdruck ∂R_W/∂d ist stark frequenzabhängig wegen ∂B_W/∂d. Dagegen ist ∂R_W/∂B_W insbesondere vom Material des bewegbaren Teiles 13 abhängig.

Es ist jedoch nicht möglich, die Empfindlichkeit dadurch zu optimieren, indem der Erregerstrom I, die Güte Q, die Resonanzfrequenz ω_R, die Induktivität L und der Ausdruck ∂R/∂d maximiert werden, da diese Größen nicht unabhängig voneinander sind. Um eine hohe Resonanzfrequenz nutzen zu können, muss beispielsweise die Induktivität vermindert werden. Dadurch erhöht sich die Güte, da sich der ohmsche Widerstand stärker vermindert als die Induktivität.

Der Differentialquotient ∂B_W/∂d ist bei hohen Frequenzen für kleine Schaltabstände optimal. Somit wird bei kleinen Schaltabständen üblicherweise eine hohe Erregerfrequenz gewählt, die außerdem ein kleines Volumen der Spule ermöglicht.

Bei einer niedrigen Erregerfrequenz ist dagegen eine hohe Induktivität erforderlich. Dies wird üblicherweise durch eine größere Spule mit einem magnetisch wirksamen Kern erreicht. Dadurch wird jedoch die Güte vermindert, da mehr Verluste im Draht und Kern der Spule auftreten.

Der Differentialquotient ∂B_W/∂d ist bei niedrigen Frequenzen für relativ große Schaltabstände optimal. Bei großen Schaltabständen wird daher eine niedrige Erregerfrequenz gewählt, wobei das große Volumen der Spule und die eingeschränkte Güte des Resonanzkreises 16 in Kauf genommen wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Erfassen eines beweglichen oder bewegbaren elektrisch und/oder magnetisch leitenden Teiles bereit zu stellen, bei der die Reichweite verbessert ist und sich die Größe der Bauelemente innerhalb vertretbarer Grenzen bewegt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Gegenstands gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen eines beweglichen oder bewegbaren elektrisch leitenden Teiles umfasst:

a) einen ersten elektrischen Schaltkreis, der wenigstens ein erstes induktives Element und eine erste Spannungsquelle aufweist
b) einen zweiten elektrischen Schaltkreis, der wenigstens ein magnetfeldsensitives Element mit einer magnetfeldsensitiven Impedanz, ein kapazitives Element und ein zweites induktives Element aufweist und
c) eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung, die dem zweiten Schaltkreis nachgeschaltet und zum Ansteuern einer Last vorgesehen ist;
d) wobei der erste und zweite elektrische Schaltkreis voneinander getrennt ausgebildet sind.

Der Kern der Erfindung liegt darin, dass einerseits die Vorrichtung zwei eigenständige voneinander getrennte Schaltkreise aufweist und andererseits, bei einem elektrisch leitenden Teil, das Wirbelstromfeld des bewegbaren Teiles direkt auf die im zweiten elektrischen Schaltkreis integrierte magnetfeldsensitive Impedanz wirken kann. Im Gegensatz dazu wird beim Stand der Technik durch das Wirbelstromfeld der Resonanzkreis gedämpft und induktiv gemessen. Wegen der Magnetfelderfassung ermöglicht die Erfindung auch die Detektion von magnetischen bewegenden Teilen, selbst wenn keine nennenswerten Wirbelströme in dem Teil erzeugt werden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht die Möglichkeit, die beiden Schaltkreise unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Ei genschaften auszustatten, die bestimmten Anforderungen genügen. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, die beiden Schaltkreise mit unterschiedlichen Spannungen und/oder Frequenzen zu beaufschlagen. Außerdem kann einer der Schaltkreise auch als passiver Schaltkreis ohne eigene Spannungsversorgung verwendet werden.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der erste elektrische Schaltkreis als Erregerkreis zum Erzeugen eines Magnetfeldes vorgesehen ist. Damit besteht die Möglichkeit, die Reichweite der Vorrichtung zu optimieren. Da der Erregerkreis nicht als Resonanzkreis vorgesehen ist, ist die Erregerfrequenz unabhängig von der Größe bzw. Induktivität der Erregerspule wählbar. Damit lässt sich eine große Reichweite und eine niedrige Erregerfrequenz auch mit einer kleinen Spule erreichen.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass der zweite elektrische Schaltkreis als Detektorkreis zum Erfassen eines Magnetfeldes vorgesehen ist. Die Frequenz kann so hoch gewählt werden, dass die Güte des Detektorkreises für eine hochauflösende Spannungsmessung ausreichend hoch ist. Außerdem wird dieser Resonanzkreis durch die Wirbelströme im bewegbaren Teil nicht so stark gedämpft wie beim Stand der Technik. Dies trägt zu einer Erhöhung der Güte bei. Die Trennung zwischen Erregerkreis und Detektorkreis ermöglicht, dass beide Schaltkreise unabhängig voneinander – jeder für seinen Zweck – optimierbar sind. Insbesondere kann mit unterschiedlichen Frequenzen erregt und detektiert werden.

Beispielsweise kann das magnetfeldsensitive Element als Magnetowiderstand (XMR-Element) oder Magnetoinduktivität (XMI-Element) ausgebildet sein. Durch das magnetfeldsensitive Element können die Eigenschaften des zweiten elektrischen Schaltkreises gezielt beeinflusst werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den zweiten Schaltkreis als Brückenschaltung auszubilden, was eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht.

Vorzugsweise ist der zweite elektrische Schaltkreis als Schwingkreis geschaltet. In dem Schwingkreis hat das magnetfeldsensitive Element die Funktion eines Messwandlers, der das Magnetfeld in einen Widerstand oder in eine Induktivität umwandelt. Ist zum Beispiel der Widerstandswert vom Wirbelstromfeld abhängig, so können die Amplitude und/oder die Frequenz der Schwingungen im zweiten elektrischen Schaltkreis durch die Feldstärke des Wirbelstromfeldes beeinflusst werden. Insbesondere lässt sich damit auf einfache Weise feststellen, in welcher Entfernung von der Vorrichtung sich das elektrisch leitende Teil befindet.

Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der zweite elektrische Schaltkreis eine zweite Spannungsquelle aufweist. Somit kann der zweite elektrische Schaltkreis auch als aktiver Schwingkreis ausgebildet sein. Dabei bewirken die vom magnetfeldsensitiven Element erfassten Wirbelstromfelder eine Verstimmung des Schwingkreises. Die Änderung des Widerstands bzw. der Induktivität des magnetfeldsensitiven Elementes führt zu einer Änderung der Spannung am zweiten induktiven Element. Diese Spannung ist die Ausgangsspannung des Detektorkreises.

Weiterhin kann die erste Spannungsquelle als Wechselspannungsquelle mit einer vorbestimmten festen oder einstellbaren Frequenz ausgebildet sein. Damit ist auch die Erregerfrequenz einstellbar.

Für die Ausgestaltung des ersten elektrischen Schaltkreises kann vorgesehen sein, dass das erste induktive Element als Spule ausgebildet ist. Die Spule ist ein konstruktiv einfaches und damit kostengünstiges Bauelement.

Das erste induktive Element kann innerhalb einer Ferritschale angeordnet sein. Da das Ferrit eine nur geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, treten nahezu keine Verluste durch Wirbelströme auf.

Um die geometrischen Ausgestaltungsmöglichkeiten der Vorrichtung zu erhöhen kann das magnetfeldsensitive Element eine Mehrzahl von magnetfeldsensitiven Elementen aufweisen. Durch Parallel- und/oder Hintereinanderschaltung der magnetfeldsensitiven Elemente ist die Vorrichtung an besondere räumliche Erfordernisse anpassbar.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das magnetfeldsensitive Element als wenigstens ein Sinterkörper mit magnetoresistiven Übergängen ausgebildet ist.

Bei einer anderen Ausführungsform des magnetfeldsensitiven Elementes weist das magnetfeldsensitive Element eine Vielzahl magnetoresistiver Schichten auf.

Bei einer besonderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das magnetfeldsensitive Element und das zweite induktive Element zu einem Bauelement zusammengefasst sind.

Dabei kann das magnetfeldsensitive Element als Sinterkörper mit magnetoresistiven Übergängen und das zweite induktive Element als Drahtspule ausgebildet sein, wobei der Sinterkörper von der Drahtspule umwickelt ist. Dies ist eine einfache Herstellungsmethode, um das magnetfeldsensitive Element und die zweite Spule zu einem Bauteil zusammenzufassen.

Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass das magnetfeldsensitive Element eine Vielzahl magnetoresistiver Schichten aufweist und das zweite induktive Element als Dünnschicht- oder Dickschicht-Spule ausgebildet ist, die in den magnetoresistiven Schichten integriert ist. Auch auf diese Weise lassen sich das magnetfeldsensitive Element und die zweite Spule zu einem Bauteil zusammenfassen.

Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise.

Schließlich ist vorgesehen, dass der Steuer- und/oder Regeleinrichtung ein steuerbarer Schalter zum Schalten der Last nachgeschaltet ist. Vorzugsweise ist der steuerbare Schalter als Schalttransistor ausgebildet.

Um die Spannung und den Strom an die Last anzupassen, kann der Steuer- und/oder Regeleinrichtung und/oder dem steuerbaren Schalter ein Umwandler nachgeschaltet sein. Dies ist dann erforderlich, wenn die Steuer- und/oder Regeleinrichtung einerseits und die Last andererseits verschiedene Spannungen benötigen. Beispielsweise ist der Umwandler als Wechselrichter ausgebildet.

Schließlich kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zum Erfassen eines beweglichen oder bewegbaren metallenen Teiles vorgesehen ist.

Weitere Merkmale, Vorteile und besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachstehend wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung in der Figurenbeschreibung anhand beispielhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines magnetfeldsensitiven Elementes der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des magnetfeldsensitiven Elementes der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des magnetfeldsensitiven Elementes der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
5 eine schematische Darstellung der Ausgangsspannung eines Detektorkreises der bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
6 eine schematisches Schaltbild einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Die bevorzugte Ausführungsform weist eine erste Spule 9 und eine erste Spannungsquelle 11 auf. Die erste Spule 9 ist in einer Ferritschale 10 angeordnet. Die erste Spannungsquelle 11 ist als Wechselspannungsquelle ausgebildet. Die erste Spule 9 und die erste Spannungsquelle 11 bilden einen Erregerkreis.
Weiterhin weist die bevorzugte Ausführungsform ein magnetfeldsensitives Element 1, einen Kondensator 2, eine zweite Spule 3 und eine zweite Spannungsquelle 4 auf. Das magnetfeldsensitive Element 1, der Kondensator 2 und die zweite Spannungsquelle 4 sind in Reihe geschaltet. Diese Reihe ist wiederum parallel zur zweiten Spule 3 geschaltet. Das magnetfeldsensitive Element 1, der Kondensator 2, die zweite Spule 3 und die zweite Spannungsquelle 4 bilden einen Detektorkreis. Der Erregerkreis und der Detektorkreis sind voneinander getrennt ausgebildet.
Dem Detektorkreis ist eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 5 nachgeschaltet. In dieser konkreten Ausführungsform liegt die an der zweiten Spule 3 abfallende Spannung am Eingang der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 5 an. Ausgangsseitig ist die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 5 mit einem steuerbaren Schalter 6 und über einen Umwandler 7 mit einer Last 8 gekop pelt. Der steuerbare Schalter 6 ist vorzugsweise als Schalttransistor ausgebildet. Alternativ kann der steuerbare Schalter 6 auch als Relais ausgebildet sein. Der Umwandler 7 ist in dieser konkreten Ausführungsform als Wechselrichter ausgebildet. Allgemein ist der Umwandler 7 dazu vorgesehen, die am Ausgang der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 5 bereitgestellte Spannung in eine für die Last 8 geeignete Spannung umzuwandeln.
Da die erste Spule 9 ist in einer Ferritschale 10 angeordnet ist und das Ferrit eine nur geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, treten im Erregerkreis nahezu keine Verluste durch Wirbelströme auf. Die Erregerfrequenz ist an der ersten Spannungsquelle 11 einstellbar. Die Erregerfrequenz kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung unabhängig von dem zweiten Schaltkreis eingestellt werden. Somit kann die Erregerfrequenz so eingestellt werden, dass die gewünschte Reichweite zum Erfassen eines elektrisch und/oder magnetisch leitenden Teiles 12 erhalten wird.
Das von der ersten Spule 9 erzeugte Magnetfeld bewirkt in dem elektrisch leitenden Teil 12 Wirbelströme, die wiederum ein magnetisches Wirbelfeld erzeugen. Das Wirbelfeld beeinflusst den Widerstandswert des magnetfeldsensitiven Elementes 1. Das magnetfeldsensitive Element 1 wirkt im Detektorkreis als Dämpfungselement, das eine Verstimmung des Detektorkreises verursacht. Diese Verstimmung kann eine Änderung der Frequenz, der Spannung oder Stromes sein. Das vom Detektorkreis der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 5 zugeführte Signal wird von dieser als Regelgröße verwendet, um über den steuerbaren Schalter 6 die Last 8 zu schalten. Bei einem nur magnetisch leitenden Teil 12 führt dessen Bewegung ebenfalls zu einer Änderung des Widerstandswertes des magnetfeldsensitiven Elements 1 und zu einer Verstimmung des Detektorbereiches. Bei einem elektrisch und magnetisch leitenden Teil 12 tragen beide Effekte bei, Wirbelstromfeld und Magnetfeldänderung.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines magnetfeldsensitiven Elementes 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die erste Ausführungsform des magnetfeldsensitiven Elementes 1 ist ein handelsübliches magnetoresistives Element 21, das auf einem Substrat angeordnet ist.
In 3 ist eine zweite Ausführungsform des magnetfeldsensitiven Elementes 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Bei der zweiten Ausführungsform bildet das magnetfeldsensitive Element 1 mit der zweiten Spule 3 eine bauliche Einheit. Das magnetfeldsensitive Element 1 ist als ein Sinterkörper 24 mit magnetoresistiven Übergängen ausgebildet. Die zweite Spule 3 ist als Drahtspule 23 ausgebildet. Der Sinterkörper 24 ist in dieser konkreten Ausgestaltung zylinderförmig ausgebildet und von der Drahtspule 23 umwickelt.
4 zeigt eine dritte Ausführungsform des magnetfeldsensitiven Elementes 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Auch bei der dritten Ausführungsform bildet das magnetfeldsensitive Element 1 mit der zweiten Spule 3 eine bauliche Einheit. Das magnetfeldsensitive Element 1 weist eine Mehrzahl magnetoresistiver Schichten 26 auf, die auf einem Substrat 26 angeordnet sind. Die zweite Spule 3 ist als Dünnschicht- oder Dickschichtspule 25 ausgebildet und in der Schichtstruktur integriert.
In 5 ist der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung U am Detektorkreis der bevorzugten Ausführungsform gemäß 1 schematisch dargestellt. Die Ausgangsspannung U ist ein amplitudenmoduliertes Wechselspannungssignal. Die Detektorfrequenz ω_D, die von der zweiten Spannungsquelle 4 erzeugt wird, bildet die Grundfrequenz. Die Modulationsfrequenz entspricht der Erregerfrequenz ω_E, die von der von der ersten Spannungsquelle 11 erzeugt wird. Dabei ist die Erregerfrequenz ω_E wesentlich niedriger als die Detektorfrequenz ω_D.
5 verdeutlicht den Einfluss des elektrisch leitenden Teiles 12 auf die Verstimmung des Detektorkreises. Die Modulationstiefe ΔU ist ein Maß für den Abstand d zwischen dem elektrisch leitenden Teil 12 und dem magnetfeldsensitiven Element 1 und somit für die Position des elektrisch leitenden Teiles 12.
Durch ein Demodulieren oder Gleichrichten der Ausgangsspannung U kann die Modulationstiefe ΔU bestimmt werden. Das demodulierte Signal hat als Frequenz die Erregerfrequenz ω_E und als Amplitude die Modulationstiefe ΔU.
Die Ausgangsspannung U des Detektorkreises ist gegeben durch U = Q0 UOSZ/[1 + RDB/(R + RD0) + jQ0LDB/(L + LD0)], (4)wobei U_OSZ die Oszillatorspannung im Detektorkreis, Q₀ die Güte ohne Belastung durch den Wirbelstrom und R der Widerstand im Detektorkreis ohne das magnetfeldsensitive Element 1 ist. Die Impedanz des magnetfeldsensitiven Elementes 1 ist durch Z_D = R_D + jωL_D gegeben, wobei R_D = R_D0 + R_DB und L_D = L_D0 + L_DB.
Die Empfindlichkeit der Vorrichtung ist durch die Ableitung der Ausgangsspannung U nach dem Abstand d gegeben ∂U/∂d = Q0 UOSZ (∂B/∂d) [1 + (RDB + jωDLDB)/(R + RD0)]–2 [R + RD0]–1 [(∂RD/∂B) + jωD(∂LD/∂B)]. (5)
Dabei wird angenommen, dass die Erregerfrequenz ω_E wesentlich niedriger als die Detektorfrequenz ω_D ist. Die Detektorfrequenz ist gegeben durch
Aus dem Ausdruck (5) geht hervor, dass eine hohe Empfindlichkeit bei einer hohen Güte Q₀, einer hohen Oszillatorspannung U_OSZ und/oder großen Koeffizienten (1/R_D0) (∂R_D/∂B) bzw. (1/L_D0) (∂L_D/∂B) für das magnetfeldsensitive Element 1 erreicht wird.
Im Hinblick auf die Dimensionierung eines magnetoresistiven Elementes spielt es eine Rolle, dass die Güte durch die Summe der Widerstände R der zweiten Spule 3 und R_D des magnetfeldsensitiven Elementes 1 bestimmt wird. Zur Optimierung der Güte wird R bei vorgegeben Volumen so klein wie möglich gewählt. Auch R_D sollte daran angepasst werden, woraus R_D ≤ R folgt. Jedoch ist der Widerstand R_D des magnetfeldsensitiven Elementes 1 auch von der zweiten Spule 3 abhängig, so dass der Ausdruck [1/(R + RD0)] (∂RD/∂B) < (1/RD0) (∂RD/∂B) (6)zu optimieren ist, was R_D ≥ R zur Folge hätte. Dies ergibt den Kompromiss R_D ≈ R.
Bei der Optimierung eines magnetoinduktiven Elementes spielt die Güte keine Rolle. Der Ausdruck [1/(L + LD0)] (∂LD/∂B) < (1/LD) (∂LD/∂B) (7)ist zu optimieren. Dies wird erreicht, wenn L_D die dominierende Induktivität im Detektorkreis ist. Dies könnte im Extremfall durch Weglassen der zweiten Spule 3 erreicht werden, was eine weitere Reduzierung des Volumens zur Folge hätte. Bei sehr hohen Frequenzen im Detektorkreis könnte dieser als Mikrowellenoszillator ausgebildet sein, der eingangs- und ausgangsseitig elektromagnetisch koppelbar ist.
In 6 ist ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die Vorrichtung ist ebenfalls zum Erfassen eines beweglichen oder bewegbaren Teiles 13 vorgesehen, das vollständig oder zumindest teilweise aus Metall hergestellt ist. Die Vorrichtung umfasst eine Spule 14, einen Kondensator 15, eine Regelungsschaltung 17, einen steuerbaren Schalter 18 und einen Umwandler 19. Die bekannte Vorrichtung ist ebenfalls zum Schalten einer Last 20 vorgesehen. Die Spule 14 und der Kondensator 15 sind parallel geschaltet und bilden zusammen einen Resonanzkreis 16. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 17, der steuerbare Schalter 18 und der Umwandler 19 sind dem Resonanzkreis 16 nachgeschaltet. Der Resonanzkreis 16 dient einerseits als Erregerkreis und andererseits als Detektorkreis.
Im Gegensatz dazu sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in 1 der Erregerkreis und der Detektorkreis separat ausgebildet, um den Erregerkreis und den Detektorkreis mit unterschiedlichen Spannungen und/oder Frequenzen beaufschlagen zu können.
Die Last 8 kann beispielsweise eine Einrichtung zum Bewegen, Befördern oder Transportieren des elektrisch leitenden Teiles 12 sein. Die Last 8 kann auch eine Einrichtung sein, die den weiteren Weg oder die weitere Bearbeitung des elektrisch leitenden Teiles 12 in irgendeiner Weise beeinflusst oder gestaltet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zuverlässig feststellen, ob sich das metallene Teil 12 in einem bestimmten Bereich befindet oder in welchem Abstand von der Vorrichtung sich das metallene Teil 12 befindet. Auf der Grundlage dieser Information wird durch die Vorrichtung die Last 8 geschaltet. Die Last 8 ist eine Einrichtung zum Durchführen von Schritten, die dann vorgesehen sind, sobald das metallene Teil 12 sich in einem bestimmten Bereich oder in einem bestimmten Abstand von der Vorrichtung befindet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen Sensor mit einem geringen Volumen aus. Das Erregerfeld lässt sich auf einfache und kostengünstige Weise bereitstellen. Die Erregerfrequenz kann unabhängig vom Detektorkreis frei gewählt werden.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen eines beweglichen oder bewegbaren elektrisch und/oder magnetisch leitenden Teiles (1), welche Vorrichtung folgendes umfasst: a) einen ersten elektrischen Schaltkreis, der wenigstens ein erstes induktives Element (9) und eine erste Spannungsquelle (11) aufweist; b) einen zweiten elektrischen Schaltkreis, der wenigstens ein magnetfeldsensitives Element (1) mit einer magnetfeldsensitiven Impedanz, kapazitives Element (2) und ein zweites induktives Element (3) aufweist; und c) eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (5), die dem zweiten Schaltkreis nachgeschaltet und zum Ansteuern einer Last (8) vorgesehen ist; d) wobei der erste und zweite elektrische Schaltkreis voneinander getrennt ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektrische Schaltkreis als Erregerkreis zum Erzeugen eines Magnetfeldes vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite elektrische Schaltkreis als Detektorkreis zum Erfassen eines Magnetfeldes vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldsensitive Element (1) als ein Magnetowiderstand ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldsensitive Element (1) als eine Magnetoimpedanz ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite elektrische Schaltkreis als Schwingkreis geschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite elektrische Schaltkreis eine zweite Spannungsquelle (4) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannungsquelle (11) als Wechselspannungsquelle mit einer vorbestimmten festen oder einstellbaren Frequenz ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannungsquelle (11) als Wechselspannungsquelle mit einer vorbestimmten festen oder einstellbaren Frequenz ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste induktive Element (9) als Spule ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste induktive Element (9) innerhalb einer Ferritschale (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldsensitive Element (1) eine Mehrzahl von magnetfeldsensitiven Elementen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldsensitive Element (1) als wenigstens ein Sinterkörper mit magnetoresistiven Übergängen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldsensitive Element (1) eine Vielzahl magnetoresistiver Schichten aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldsensitive Element (1) und das zweite induktive Element (3) zu einem Bauelement zusammengefasst sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldsensitive Element (1) als Sinterkörper mit magnetoresistiven Übergängen und das zweite induktive Element (3) als Drahtspule ausgebildet sind, wobei der Sinterkörper von der Drahtspule umwickelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetfeldsensitive Element (1) eine Vielzahl magnetoresistiver Schichten aufweist und das zweite induktive Element (3) als Dünnschicht- oder Dickschicht-Spule ausgebildet ist, die in den magnetoresistiven Schichten integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (5) als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (5) ein steuerbarer Schalter (6) zum Schalten der Last (8) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (5) und/oder dem steuerbaren Schalter (6) ein Umwandler (7) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Umwandler (7) als Wechselrichter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Erfassen eines be weglichen oder bewegbaren metallenen Teiles (1) vorgesehen ist.