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Die Erfindung betrifft einen magnetischen Wegsensor mit linearer Kennlinie des Ausgangssignals, bestehend aus einer Spule mit mindestens 2 übereinanderliegenden Wicklungslagen, welche einen ferromagnetischen Kern umschließen, ferner mit mindestens einem Permanentmagnet, der in Längsrichtung der Spule verfahren wird und eine zu ihm im ferromagnetischen Kern parallele Zone der magnetischen Sättigung bewirkt.
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Stand der Technik:
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Wegsensoren werden zum Beispiel eingesetzt, um Kolbenbewegungen in hydraulischen oder pneumatischen Systemen zu überwachen. Zum einen sind Sensoren nach dem magnetostriktiven Prinzip bekannt. Diese haben jedoch zum einen den Nachteil, dass sie eine aufwändige Auswerteelektronik erfordern, was einem kostengünstigen Einsatz entgegensteht. Zum andern erfordern diese Sensoren einen komplexen mechanischen Aufbau des sensorischen Elementes, was nachteilig ist für die Belastbarkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung wie Vibrations- und/oder Schockbelastung. Darüber hinaus haben magnetostriktive Sensoren eine hohe Stromaufnahme, was den Einsatz in batteriebetriebenen Systemen meist verbietet. Weiterhin haben magnetostriktive Sensoren den Nachteil, dass speziell bei kurzen Messlängen nur ein kleiner Teil des räumlichen Sensormaßes als elektrische Messlänge genutzt werden kann.
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Weiterhin sind magneto-induktive Sensoren bekannt, welche über Primärwicklungen zur Feldeneugung und Sekundärwicklungen zur positionsabhängigen Felddetektion verfügen. Diese haben den Nachteil, dass jeweils eine Vielzahl von Wicklungen elektrisch separat verschaltet werden müssen, was unerwünscht mit hohem Aufwand umgesetzt werden muss.
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Weiterhin ist ein Positionssensor durch die Schrift
DE 103 42 473 A1 derart beschrieben, dass sich auf einem ferromagnetischen Kern eine Spule mit entlang der Längsrichtung variierender Windungsdichte befindet und dass durch einen verschiebbaren Magneten unterschiedliche Abschnitte des Spulenkernes in Sättigung gebracht werden, so dass sich eine Spule mit positionsabhängiger Charakteristik ergibt.
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Der Nachteil in dieser Ausführung liegt darin, dass in vielen Anwendungen eine lineare Charakteristik des Positionssignals gefordert wird. Soll eine Ausführung der Variation der Windungsdichte derart erfolgen, dass sich eine lineare Induktivitätsänderung bei Verschieben des Magneten ergibt, so wird dies mit der in
DE 103 42 473 A1 dargestellten Realisierung erfüllt, indem die Windungsdichte linear über die Messlänge ab- oder zunimmt. Dadurch wird die maximal mögliche Messlänge stark begrenzt, da z. B. bei linearer Abnahme der Windungsdichte bereits nach kurzer Wegstrecke Bereiche ohne wirksamen Induktivitätsbelag vorliegen. Die Messlänge könnte dadurch verlängert werden (beispielsweise auf 400 mm), dass die Windungsdichte nicht kontinuierlich ab- oder zunimmt, sondern Segmente mit konstanter Windungsdichte aneinander gereiht werden, wobei die Windungsdichte der Segmente linear ab- oder zunimmt. Hält man die Segmentbreite klein im Verhältnis zur Breite des Magneten, beispielsweise 113, so wird die Stufung des Induktivitätsbelags durch die im Vergleich zur Segmentbreite deutlich breitere Sättigungszone soweit geglättet, dass man einen nach wie vor weitgehendst linearen Verlauf der Gesamtkennlinie erhält. Diese Ausführung ermöglicht eine größere realisierbare Messlänge, hat aber den Nachteil eines unerwünscht hohen Offsets, welcher dadurch entsteht, dass die maximal durch Sättigung erreichte Induktivitätsminderung klein ist zur Gesamtinduktivität. Dieser Offset ist unerwünscht sehr aufwändig elektrisch zu kompensieren.
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Ein weiterer Nachteil dieser Ausführung besteht darin, dass die Messgröße, welche positionsabhängig ist, die Spulencharakteristik ist, in einer Vielzahl von Anwendungen als wegabhängiges Signal jedoch ein Gleichstrom- oder Gleichspannungswert erwünscht ist und somit die Messgröße erst elektronisch aufwändig in ein Gleichstrom- oder Gleichspannungssignal umgewandelt werden muss.
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Aus der
WO 97/14935 A2 ist ein Positionsencoder bekannt, bei dem in einer Ausführungsform ein beweglicher Dauermagnet gegenüber einer Spulenanordnung bewegt wird. Diese Spule weist als Kern einen langgestreckten Streifen eines magnetischen Weichmaterials auf, der zunächst von einer gegen den Kern isolierten gleichmäßigen Wicklung als Erregerspule umgeben ist. Außen um diese Spule sind zwei Abnehmerspulen gewickelt, und zwar mit einer um π/2 gegeneinander versetzten sinusförmigen Variation der Wicklungsdichte. Bei Bewegung des Dauermagneten können damit an den Abnehmerspulen zwei entsprechend der Wicklungsdichten um π/2 gegeneinander versetzte Sinussignale abgegriffen und daraus eine Positionsinformation ermittelt werden.
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Die
DE 102 55 710 A1 offenbart einen induktiven Wegesensor mit einem Spulenkörper, gegenüber dem ein Spulenkern verschoben und dessen Lage anhand der Induktionsänderung bestimmt wird. Um einen kürzeren Spulenkörper verwenden zu können, wird der Spulenkörper segmentiert und in aufeinanderfolgenden Segmenten jeweils die Wicklungsdichte um einen konstanten Faktor erhöht. Alternativ variiert als glatter Grenzfall immer kleinerer Segmentbreiten die Wicklungsdichte exponentiell mit der Länge des Spulenkörpers. Durch die unterschiedlichen Wicklungsdichten soll auch bei Verwendung eines kleineren Spulenkerns eine messbare Induktionsänderung sichergestellt werden.
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Aufgabenstellung:
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wegsensor zu schaffen, welcher ein Ausgangssignal mit linearer Abhängigkeit von der Position eines Gebermagneten aufweist, welcher kostengünstig herzustellen ist, eine kleine Bauform besitzt, mechanisch robust ist, einen großen Messbereich ermöglicht und nur eine einfache, aus wenigen elektrischen Bauteilen bestehenden Elektronik benötigt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Wegsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Sensor wird ein ferromagnetischer Kern von mindestens 2 elektrischen Wicklungslagen umschlossen. Überhalb einer inneren Wicklungslage, welche benachbarte Segmente gleicher Breite, aber mit unterschiedlicher Windungsdichte aufweist, befindet sich eine darüberliegende Wicklungslage, welche so ausgeführt ist, dass die Gesamtwindungsdichte beider Lagen über die Länge in allen Segmenten konstant ist und dass diese den ferromagnetischen Kern gegensinnig zur inneren Lage umschließt. Die Wicklungslagen sind derart ausgeführt, dass die Windungsdichte innerhalb eines Segmentes konstant ist, die Windungsdichte der Segmente zueinander in einer Lage über die Sensorlänge linear zunimmt, die Windungsdichte der Segmente zueinander in der anderen Lage linear abnimmt. Beide Wicklungslagen sind erfindungsgemäß elektrisch in Serie geschaltet, so dass sich bei Speisung derselben mit einem elektrischen Strom im ferromagnetischen Kern ohne den Einfluss eines Magneten die von beiden Wicklungslagen erzeugten magnetischen Felder weitgehendst kompensieren.
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Wirkt nun abschnittsweise ein Magnet so auf das ferromagnetische Material, dass er dieses in diesem Abschnitt in die magnetische Sättigung bringt, so werden die Anteile des Magnetfeldes, welche durch beide Wicklungslagen erzeugt werden, dann unterschiedlich verändert, wenn die Windungsdichten der beiden Lagen im Abschnitt der magnetischen Sättigung unterschiedlich sind.
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Aufgrund der gegensinnigen Umschließung des ferromagnetischen Kerns werden in den Wicklungslagen um 180° gegenphasige Spannungen induziert. Am Verbindungspunkt der in Serie geschalteten beiden Wicklungslagen wird somit eine elektrische Potentialverschiebung erzeugt, welche abhängig von der Position des Magneten ist.
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Ein derartiger Wegsensor besitzt somit die vorteilhafte Eigenschaft, dass direkt am Sensor ein Wechselspannungssignal mit positionsabhängiger Amplitude abgegriffen werden kann, was eine elektronische Weiterverarbeitung zu einem positionsabhängigen Gleichspannungs- oder Gleichstromsignal, wie es speziell im Industrieanwendungsbereich üblich ist, mit einfachen Mitteln ermöglicht. Weiterhin besitzt er die vorteilhafte Eigenschaft, dass das am Sensor abgegriffene Signal einen hohen Signalhub und ein kleines Offsetsignal aufweist. Dies ist vorteilhaft, da weitergehende elektronische Kompensationsmaßnahmen unaufwändig realisiert werden können oder je nach Anwendung entfallen können.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors.
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Ein ferromagnetischer Kern 100 ist von zwei Wicklungslagen 400, 500 umschlossen Die Wicklungslagen sind jeweils in Segmente 300 gleicher Breite unterteilt. Die Windungsdichte innerhalb der Segmente 300 ist konstant; die Windungsdichte der Segmente zueinander ändert sich über die Weglänge 900 linear. In der inneren Lage 500 sind die Verhältnisse der Windungsdichten abnehmend über die Weglänge 900 12:11:10...:1. In der äußeren Wicklungslage 400 sind die Verhältnisse der Windungsdichten zunehmend über die Weglänge 900 1:2:3:4...:12. Die Länge eines Segments 300 beträgt ungefähr 1/3 der Längsabmessung des als Positionsgeber dienenden Magneten 200. Die äußere Wicklungslage 400 ist gegensinnig zur inneren Wicklungslage 500 um den ferromagnetischen Kern 100 gewickelt. An einem Sensorende sind beide Wicklungslagen 400, 500 zu einer elektrischen Serienschaltung verbunden. Beide in Serie geschalteten Wicklungslagen 400, 500 werden von einer Wechselspannungsquelle 600 gespeist.
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Der in 1 dargestellte Wegsensor funktioniert wie folgt:
Die in Serie geschalteten Wicklungslagen 400, 500 werden von der Wechselspannungsquelle 600 gespeist, so dass sie von einem Wechselstrom durchflossen werden. Jede Wicklungslage 400, 500 erzeugt dadurch einen magnetischen Wechselfluss im ferromagnetischen Kern 100. Aufgrund des gegensätzlichen Wicklungssinns der beiden Wicklungslagen 400, 500 wirken deren Anteile des magnetischen Flusses größtenteils in entgegengesetzter Richtung und kompensierend in ihrer magnetischen Wirkung. Ohne den Einfluss eines Magnetfeldes stellt sich am Verbindungspunkt 700 der beiden Wicklungslagen 400, 500 eine Spannung ein, welche sich aus den nicht kompensierenden magnetischen Fluss-Anteilen und dem ohmschen Widerstand der Wicklungslagen 400, 500 ergibt. In der Nähe des ferromagnetischen Kernes 100, welcher in der oben beschriebenen Weise von den beiden Wicklungslagen 400, 500 umschlossen ist, befindet sich ein Magnet 200, welcher eine derart ausgeprägte magnetische Feldstärke erzeugt, dass im ferromagnetischen Kern 100 parallel zur Bewegungsrichtung 900 des Magneten 200 eine mitlaufende Zone 800 der magnetischen Sättigung des Kerns 100 erzeugt wird. In dieser Sättigungszone 800 wird die magnetische Permeabilität des Kerns 100 auf nahezu den Wert eins verändert, was zur Folge hat, dass sich der Kern 100 in der Sättigungszone 800 in der magnetischen Wirkung wie Luft verhält. Sind die Windungsdichten der Wicklungslagen 400, 500 innerhalb dieser Sättigungszone 800 unterschiedlich, so werden die beiden Anteile des magnetischen Flusses, welche durch die beiden Wicklungslagen 400, 500 erzeugt werden, unterschiedlich in ihrer Amplitude verringert. Die Wicklungslage 400, 500, welche in der Sättigungszone 800 weniger Windungen aufweist und damit mehr Windungen in den Zonen ohne magnetische Sättigung, erzeugt somit einen in der Amplitude größeren magnetischen Fluss als die Wicklungslage mit einer größeren Anzahl Windungen in der Sättigungszone 800. Das Gleichgewicht der vektoriell entgegengesetzt gerichteten Anteile des magnetischen Flusses wird somit aufgehoben. Der resultierende magnetische Fluss erzeugt in beiden Wicklungslagen 400, 500 jeweils vektoriell entgegengesetzte Induktionsspannungen. Dies bewirkt am Verbindungspunkt 700 eine Veränderung der Amplitude der dort auftretenden Wechselspannung. Diese Veränderung geschieht abhängig von den jeweiligen in der Sättigungszone 800 unterschiedlichen Windungsdichten der beiden Wicklungslagen 400, 500 und ist somit abhängig von der Position des Magneten 200 entlang der Bewegungsrichtung 900. Zu bemerken ist, dass auch eine Ausführung des Sensors mit nur einer Wicklungslage 400, 500 eine positionsabhängige Änderung des magnetischen Flusses zur Folge hätte. Der dadurch erreichbare Spannungshub wäre jedoch nur halb so groß wie der Spannungshub, welcher durch die beschriebene Ausführung mit 2 Wicklungslagen 400, 500 erzeugt wird.
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Die Segmentbreite 300 der beiden Wicklungslagen 400, 500 beträgt ungefähr ein Drittel der Länge des Magneten 200. Dadurch wird erreicht, dass die Windungsdichte über eine hohe Messlänge 900 ausreichend hoch ist, um auswertbare Änderungen des magnetischen Flusses auch in den Segmenten mit kleinster Windungsdichte zu erzeugen. Gleichzeitig ergibt sich ein nur kleiner und damit akzeptabler Fehler der Linearität der Kennlinie der Ausgangsspannung am Verbindungspunkt 700 über der Wegstrecke 900, der dadurch erzeugt wird, dass der Induktivitätsbelag der beiden Wicklungslagen 400, 500 nicht linear, sondern stufenförmig ausgeprägt ist. Dieser Fehler wird durch die Tatsache minimiert, dass das Magnetfeld, erzeugt durch den Magneten 200, immer mindestens 3 Segmente 300 überstreicht, was sich glättend auf die Kennlinie des Ausgangssignales auswirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- ferromagnetischer Kern
- 200
- Magnet
- 300
- Segment mit konstanter Windungsdichte
- 400
- äußere Wicklungslage
- 500
- innere Wicklungslage
- 600
- Wechselspannungsquelle
- 700
- Verbindungspunkt der Wicklungslagen
- 800
- Bereich der magnetischen Sättigung
- 900
- Messweg
