DE102007029488B4

DE102007029488B4 - Sensor

Info

Publication number: DE102007029488B4
Application number: DE102007029488A
Authority: DE
Inventors: Josef Baak
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2027-06-27
Also published as: DE102007029488A1

Abstract

Verfahren zur Einstellung eines Schaltpunktes oder mehrerer Schaltpunkte eines Sensors, wobei der Schaltpunkt oder die Schaltpunkte den Positionen von Endlagen eines Kolbens entsprechen, mit den Verfahrensschritten: — wiederkehrendes, also wiederholt in vorbestimmten kurzen Zeitabständen Erfassen der Position des Kolbens durch den Sensor, wobei die kurzen Zeitabstände so gewählt sind, dass der Sensor bei Bewegung des Kolbens stets eine andere Kolbenposition ermittelt und in Ruhelage des Kolbens immer wieder denselben Positionswert misst, — Durchführen einer Häufigkeitsauswertung, wobei nach wenigstens einer Hubbewegung des Kolbens von einer Endlage zur anderen und somit nach einem sich aus mehreren der Zeitabstände zusammensetzenden Zeitfenster, der Schaltpunkt oder die Schaltpunkte zu derjenigen Kolbenposition, an der gleiche Messwerte gehäuft auftreten, zugeordnet werden und wobei der jeweilige Schaltpunkt nur dann zugeordnet wird, wenn eine bestimmte Mindestanzahl an gleichen Messwerten vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schaltpunkteinstellung an einem Sensor.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf magnetische oder induktive Sensoren, die häufig an einem Gehäuse eines Arbeitszylinders angeordnet werden. Solche Sensoren haben sich zur genauen Positionsbestimmung durch berührungsloses Erfassen der Stellung von z. B. Pneumatik- oder Hydraulikkolben innerhalb des Arbeitszylinders bewährt. Zu diesem Zweck sind an den Außenflächen des Gehäuses des Arbeitszylinders Führungsnuten angebracht, in welchen die Magnetfeldsensoren axial verstellbar gehalten sind und nach Justierung in der Führungsnut arretiert werden, wie dies beispielsweise aus der DE 196 43 413 A1 und DE 196 53 222 A1 bekannt ist. Ein so justierter und befestigter Sensor gibt in Abhängigkeit der Kolbenstellung ein Schaltsignal aus. Häufig sind pro Hubweg eines Kolbens mehrere Schaltpunkte gewünscht. Zumeist ist die eingefahrene Endlage und die ausgefahrene Endlage des Kolbens zu erfassen.
Ein derartiger Sensor ist beispielsweise aus der DE 10 2004 046 107 A1 bekannt, die einen Sensor beschreibt, mit dem zwei Schaltpunkte einstellbar sind, beispielsweise durch Einstellen zweier elektronischer Schaltschwellen, wobei der Sensor derart ausgebildet ist, dass er prinzipiell in der Lage ist, einen der Kolbenposition entsprechendes Signal auszugeben. Die Schaltschwellen werden in einem separaten Verfahrensschritt entweder mechanisch, beispielsweise durch Stellen eines Potentiometers oder softwaremäßig einmal eingestellt.
Ein Sensor mit elektronischen Schaltschwellen kann als analoger Wegsensor mit beispielsweise inhomogener Wicklungsdichte ausgebildet sein, wie er aus der DE 103 42 473 A1 bekannt ist.
Aus der DE 199 38 110 A1 ist ein Verfahren zum Abgleichen eines Positionserkennungssensors in einem elektronischen Steuergerät für ein Kfz-Automatikgetriebe bekannt. Mit diesem Abgleich soll eine maximale Genauigkeit der Erfassung der vorhandenen Schaltstellungen des Wählhebels sichergestellt werden. Dazu werden die einzelnen Wählbereiche mehrfach angefahren und die Positionen des Wählhebels von dem Sensor erfasst und abgespeichert und daraus ein Sensorsignalpegelband für jeden Wählbereich ermittelt. Welcher Wählbereich jeweils angefahren wurde und welchem Wählbereich die ermittelten Positionswerte zuzuordnen sind, ist von vornherein bekannt. Dieses Verfahren eignet sich daher nicht zur Ermittlung der Positionen der Wählbereiche, sondern ausschließlich zum Abgleichen bzw. Kalibrieren, also zum Festlegen der Signalpegelbänder zur genaueren Erfassung der Wählhebelstellungen.
Aus der DE 199 54 267 A1 ist ein Verfahren zur automatischen Einstellung einer Schaltschwelle bekannt, bei dem zeitliche Verläufe von Induktivitäten, Kapazitäten oder Impedanzen aufgenommen werden, wozu ein zu detektierendes Objekt mit einer bestimmten Geschwindigkeit an dem Sensor vorbeibewegt wird und anhand der erhaltenen zeitlichen Funktion unter Berücksichtigung von geeigneten Kriterien Schaltschwellen festgelegt werden.
Aus der DE 195 07 094 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Schaltpunkteinstellung bekannt, bei dem eine Schaltschwelle für einen Schaltpunkt festgelegt wird, indem ein maximales und ein minimales Sensorsignal gemessen werden, die den Zuständen „Objekt vorhanden” bzw. „Objekt nicht vorhanden” entsprechen und aus diesen beiden Werten mit einer mathematischen Vorschrift die Schaltschwelle festgelegt wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Schaltpunkteinstellung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Schaltpunkteinstellung eines Sensors, insbesondere eines magnetischen oder induktiven Sensors, insbesondere zur Positionsbestimmung der Endlagen eines Kolbens, die Kolbenposition wiederkehrend von dem Sensor erfasst wird und eine Häufigkeitsauswertung vorgenommen wird und nach einer vorbestimmten Anzahl von Hubbewegungen des Kolbens, der Schaltpunkt derjenigen Kolbenposition zugeordnet wird, an der gleiche Messwerte gehäuft auftreten.
Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass zur Schaltpunkteinstellung keinerlei besondere Maßnahmen ergriffen werden müssen, da die Schaltpunkte selbsttätig eingestellt werden. Die Sensorposition am Kolben muss nicht justiert werden, sondern kann fast beliebig gewählt werden. Ein Nachjustieren im Laufe der Zeit kann entfallen. Ein einmal an einem Zylinder montierter Sensor ist damit völlig wartungsfrei.
Zur Festlegung des Schaltpunkts ist es sinnvoll, dass der Schaltpunkt nur dann zugeordnet wird, wenn eine bestimmte Mindestanzahl an gleichen Messwerten vorliegt. Damit kann sichergestellt sein, dass der Schaltpunkt auch der korrekten Kolbenposition entspricht.
Da aufgrund mechanischer Toleranzen der Kolben nicht immer die exakt gleiche Kolbenendposition einnimmt, ist vorteilhafterweise die Mindestanzahl mit einer bestimmten Toleranz behaftet, so dass innerhalb eines durch die Toleranz bestimmten Häufigkeitsbereichs eine Schaltpunktefestlegung erfolgt.
Um dennoch eine korrekte Zuordnung des Schaltpunktes sicherer zu gewährleisten, wird in Weiterbildung der Erfindung der Schaltpunkt nur dann zugeordnet, wenn die Mindestanzahl sich mindestens einmal wiederholt.
Mit besonderem Vorteil wird während des Betriebs fortwährend die Häufigkeitsauswertung durchgeführt, denn auf diese Weise kann die Sensorposition verfolgt werden und in einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Häufigkeitsauswertung zur Nachführung des Schaltpunkts herangezogen.
Wenn der Schaltpunkt gemäß den oben genannten Weiterbildungen nur dann nachgeführt wird, wenn eine bestimmte Mindestanzahl an gleichen veränderten Messwerten vorliegt, können fälschliche Schaltpunktnachführungen vermieden werden, wobei die Richtigkeit der Schaltpunktnachführung weiter erhöht wird, wenn der neue Schaltpunkt nur dann zugeordnet wird, wenn die Häufung der Messwerte sich mindestens einmal wiederholt.
Da in den meisten Applikationen der Kolben sich die meiste Zeit in einer seiner Endstellungen befindet, liegt in der Regel die größte Häufung der Messwerte in den Endpositionen des Kolbens, so dass die Schaltpunkte den beiden Endlagen des Kolbens entsprechen.
Um Auswertungen vornehmen zu können, wird vorteilhafterweise der Schaltpunkt in einem Schaltpunktspeicher gespeichert.
Damit lässt sich die Verschiebung des Schaltpunkts über die Zeit verfolgen und vorteilhafterweise bei Überschreiten einer vorbestimmten Schaltpunktverschiebung ein Signal ausgegeben. Dadurch kann die Sicherheit des Gesamtsystems, in dem der Kolben integriert ist, erhöht werden, denn sich über die Zeit unerlaubt weit verschobene Kolbenendlagen werden rechtzeitig erkannt.
Ein entsprechender Sensor, insbesondere magnetischer oder induktiver Sensor, weist eine Auswerteeinheit auf, mit der eine Kolbenposition entlang eines Hubwegs bestimmbar ist, wobei die Auswerteeinheit eine in wiederkehrenden Zeitabständen die Kolbenposition bestimmende Messeinheit aufweist sowie einen Messwertspeicher zur Speicherung der gemessenen Kolbenposition und eine Häufigkeitsauswerte-Einheit, mit der bestimmbar ist, wie häufig ein Positionsmesswert in einem bestimmten Zeitintervall gemessen wurde, wobei in Abhängigkeit von der Messhäufigkeit ein Schaltpunkt einstellbar ist.
Vorteilhafterweise ist die Auswerteeinheit in einem Mikrocontroller realisiert.
Vorteilhafterweise ist der Schaltpunktspeicher ein nichtflüchtiger Speicher, insbesondere ein EEPROM oder Flash-Speicher.
Vorteilhafterweise sind die Sensoren als Zylindersensoren ausgebildet, da diese insbesondere an Arbeitszylindern, wie Pneumatik- oder Hydraulikzylinder, eingesetzt werden.
Um die Sensoren des Sensorsystems platzsparend an einem Arbeitszylinder festlegen zu können, kann vorgesehen sein, dass die Sensoren in an sich, z. B. aus der DE 196 43 413 A1 oder DE 196 53 222 A1 bekannter Weise zur Halterung in einer gemeinsamen Nut, insbesondere einer T- oder C-Nut, ausgebildet sind. Auch lässt sich der Sensor in einen Arbeitszylinder integrieren, was für die Anwendung im Lebensmittelbereich besonders vorteilhaft ist, da der Zylinder mit dem integrierten und im Gegensatz zum Stand der Technik nicht außen angebrachten Sensor erheblich besser zu reinigen und mit aggressiven Reinigungsmitteln behandelbar ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1 und 2 schematische Darstellungen eines Sensors an einem Arbeitszylinder bei verschiedenen Kolbenstellungen;
3 eine schematische Darstellung des Sensors;
4 eine schematische Grafik mit zwei Diagrammen, wobei einerseits die Kolbengeschwindigkeit gegenüber der Zeit und andererseits die Häufigkeit, denselben Positionswert zu messen, gegenüber der Zeit aufgetragen ist;
5 eine Häufigkeitsverteilung der Positionsmesswerte gegenüber dem Kolbenhub.
Ein in 1 dargestellter Arbeitszylinder 10, der ein Pneumatikzylinder sein kann, enthält einen Kolben 12, der mittels einer Kolbenstange 14 in dem Arbeitszylinder 10 in Längsrichtung des Zylinders bewegbar ist. In der 1 ist der Kolben 12 in einer ersten Endlage dargestellt und in 2 in einer zweiten Endlage. Durch Verschieben des Kolbens 12 in Pfeilrichtung 16 (Pfeil mit durchgezogenen Linien) bzw. 18 (Pfeil mit unterbrochenen Linien) ist der Kolben von der ersten in die zweite bzw. zweiten in die erste Endlage bringbar. Die Kolbenposition ist mittels eines Sensors 20 ermittelbar, wobei der Sensor 20 bevorzugt ein magnetischer oder induktiver Sensor ist und der Kolben 12 einen nicht dargestellten Permanentmagneten trägt, dessen Position der Sensor 20 erfassen kann. Ein derartiger Sensor 20 ist beispielsweise beschrieben in der DE 10 2004 046 107 A1 . Die elektrische Versorgung und die Sensorsignale werden über eine Sensoranschlussleitung 22 geführt.
Der Sensor 20 ist in der Zeichnung (3) nur schematisch dargestellt und enthält ein induktives oder magnetisches Sensorelement 24, eine Auswerteeinheit 26, die bevorzugt in einem Mikrocontroller realisiert ist, sowie einen Messwertespeicher 28 und einen Schaltpunktspeicher 30, deren Funktionen im Einzelnen im Folgenden noch erläutert werden.
Der Sensor 20 ist an dem Arbeitszylinder 10 derart positioniert, dass er sowohl die erste als auch die zweite Endlage des Kolbens erfassen kann. Die erfassten Kolbenpositionen werden über das Sensorelement 24 detektiert und in der Auswerteeinheit 26 ermittelt und als geeignetes Signal über die Anschlussleitung 22 nach außen gegeben. Die erfassten Kolbenpositionen sind in dem Messwertespeicher 28 abspeicherbar.
Die Erfassung von Kolbenpositionen, insbesondere der Kolbenendlagen, erfolgt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wie folgt:
In den allermeisten Applikationen befindet sich der Kolben 12 die meiste Zeit in einer seiner Endlagen und wird nur relativ kurzzeitig zwischen den beiden Endlagen verfahren. Die erste Endlage (dargestellt in 1) sei mit Position 1 und die zweite Endlage (dargestellt in 2) sei mit Position 2 bezeichnet.
Zunächst setzt das erfindungsgemäße Verfahren voraus, dass der Sensor nach Aktivierung wiederkehrend in kurzen Zeitabständen die jeweilige Kolbenposition ermittelt und in seinen Messwertespeicher 28 abspeichert, so dass die Auswerteeinheit 26 eine gewisse Anzahl von abgespeicherten Messwerten verarbeiten kann. Die kurzen Zeitabstände sind dabei so gewählt, dass der Sensor bei Bewegung des Kolbens stets eine andere Kolbenposition ermittelt und in Ruhelage des Kolbens immer wieder denselben Positionswert misst. Nach einem bestimmten Zeitfenster, das sich aus mehreren der vorgenannten kurzen Zeitabständen zusammensetzt, wird festgestellt, wie groß die Häufigkeit ist, dass ein und derselbe Messwert ermittelt wurde.
Es sei angenommen, dass sich der Kolben 12 anfänglich zu Zeiten t < t0 in der Position 2 befindet. Wenn der Kolben dann bis zum Zeitpunkt t0 von der Position 2 in die Position 1 verschoben wird, steigt die Geschwindigkeit des Kolbens entsprechend dem oberen Diagramm der 4 auf einen bestimmten Wert an, wie dies durch die Kurve 32.1 schematisch dargestellt ist. In dieser Zeit misst der Sensor 20 immer eine andere Kolbenposition, so dass die Häufigkeit N, ein und denselben Positionswert zu messen, bei null oder nahe null liegt. Zum Zeitpunkt 11 hat der Kolben dann die Position 1 erreicht und verharrt in dieser, so dass die Geschwindigkeit v auf null sinkt und der Sensor 20 beginnt, immer dieselbe Kolbenposition zu messen, so dass die Häufigkeit N ansteigt, wie dies in dem unteren Diagramm der 4 anhand der Kurve 34.1 dargestellt ist. Dies geschieht bis zu einem Zeitpunkt t2, zu dem begonnen wird, den Kolben wieder zurückzufahren von der Position 1 in die Position 2. Dann steigt der Betrag der Geschwindigkeit der Kolbenbewegung wieder auf einen gewissen Wert an gemäß Kurve 32.2 und die Häufigkeit N sinkt auf null. Dies geschieht bis der Kolben wieder seine zweite Endlagenposition 2 erreicht hat (t3) und in dieser Endlage der Sensor wiederum immer nur einen einzigen Positionswert, nämlich den der Position 2 misst, so dass die Häufigkeit N entsprechend Kurve 34.2 wieder ansteigt.
In der Auswerteeinheit 26 des Sensors 20 wird nun die Häufigkeit N, ein und denselben Positionswert innerhalb des bestimmten Zeitfensters zu messen, in Abhängigkeit von der Kolbenposition ausgewertet. Eine solche Auswertung ist schematisch in 5 dargestellt. Da nur in den beiden Endlagen (Positionen 1 und 2) die Häufigkeit merklich von null verschieden ist, werden diese beiden Kolbenpositionen als die gemessenen Endlagen erkannt und vom Sensor eingestellt. Vorteilhafterweise werden dabei die Schaltpunkte dann den Kolbenendlagen zugeordnet, wenn die Häufigkeit eine bestimmte Mindestanzahl N_min überschritten hat, wobei diese Mindestanzahl N_min mit einer vorgegebenen Toleranz behaftet ist, da aufgrund mechanischer Toleranzen, der Kolben nicht bei jedem Hub exakt die gleiche Endlage erreicht. Die Sicherheit, den Schaltpunkt der korrekten Kolbenendlage zuzuordnen, kann erhöht werden, wenn der Schaltpunkt erst dann zugeordnet wird, wenn die Mindestanzahl sich mindestens einmal wiederholt hat, also zweimal hintereinander gemessen wurde. Die beiden so gefundenen Messwerte für die Endlagen werden in dem Schaltpunktspeicher 30 als auszugebende Schaltpunkte abgespeichert.
Wenn nun durch irgendwelche äußeren Bedingungen die Kolbenendlagen sich ändern, wird dies in der Auswerteeinheit 26 dadurch berücksichtigt, dass die Häufigkeit N immer nur an den aktuellen neuen Kolbenpositionen erhöht ist, entsprechend 5. Auf diese Weise können die Schaltpunkte den aktuellen Endlagenpositionen nachgeführt werden, wobei die oben genannten Kriterien für die Schaltpunktzuordnung (wiederholtes Überschreiten einer bestimmten und mit einer Toleranz behafteten Mindestanzahl) zur sicheren Schaltpunktnachführung Anwendung finden.
Weiter kann vorgesehen sein, dass bei Überschreiten einer vorbestimmten Schaltpunktverschiebung, also beispielsweise eine vorbestimmte Verschiebung der Schaltpunkte seit Aktivierung des Sensors, ein Warnsignal vom Sensor 20 ausgegeben wird. Der Speicher zur Speicherung der zu verschiedenen Zeiten gemessenen Schaltpunkte ist bevorzugt ein EEPROM oder Flash-Speicher.

Claims

Verfahren zur Einstellung eines Schaltpunktes oder mehrerer Schaltpunkte eines Sensors, wobei der Schaltpunkt oder die Schaltpunkte den Positionen von Endlagen eines Kolbens entsprechen, mit den Verfahrensschritten: – wiederkehrendes, also wiederholt in vorbestimmten kurzen Zeitabständen Erfassen der Position des Kolbens durch den Sensor, wobei die kurzen Zeitabstände so gewählt sind, dass der Sensor bei Bewegung des Kolbens stets eine andere Kolbenposition ermittelt und in Ruhelage des Kolbens immer wieder denselben Positionswert misst, – Durchführen einer Häufigkeitsauswertung, wobei nach wenigstens einer Hubbewegung des Kolbens von einer Endlage zur anderen und somit nach einem sich aus mehreren der Zeitabstände zusammensetzenden Zeitfenster, der Schaltpunkt oder die Schaltpunkte zu derjenigen Kolbenposition, an der gleiche Messwerte gehäuft auftreten, zugeordnet werden und wobei der jeweilige Schaltpunkt nur dann zugeordnet wird, wenn eine bestimmte Mindestanzahl an gleichen Messwerten vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltpunkt nur dann zugeordnet wird, wenn die Mindestanzahl mindestens einmal wiederholt gemessen wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs fortwährend die Häufigkeitsauswertung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fortwährende Häufigkeitsauswertung zur Nachführung des Schaltpunkts herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schaltpunkte entsprechend den beiden Endlagen des Kolbens ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestanzahl mit einer bestimmten Toleranz behaftet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Schaltpunkte gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten einer vorbestimmten Schaltpunktverschiebung ein Signal ausgegeben wird.