DE102007031787A1 - Magnetostrictive position sensor for monitoring e.g. piston stroke in hydraulic system, has electromagnet designed such that electromagnet operates on magneto-resistive measurement system in active condition - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen magnetostriktiven Wegsensor mit Selbstdiagnose-Funktionalität, der mindestens einen außerhalb des Sensorgehäuses beweglich angeordneten magnetischen Positionsgeber aufweist.The The invention relates to a magnetostrictive displacement sensor with self-diagnostic functionality, the at least one outside the sensor housing having movably arranged magnetic position sensor.
Stand der Technik:State of the art:
Magnetostriktive Wegsensoren werden zum Beispiel eingesetzt, um Kolbenbewegungen in hydraulischen Systemen oder Vorschübe an metall- oder kunststoffverarbeitenden Maschinen zu überwachen. Das von dem magnetostriktiven Wegsensor ausgegebene Mess-Signal dient dabei als Eingangsgröße für die elektronische Positionsregelung.magnetostrictive Displacement sensors are used, for example, to piston movements in hydraulic systems or feeds to metal or to monitor plastic processing machinery. That from The magnetostrictive displacement sensor output measured signal serves as input for the electronic Position control.
Innerhalb derartiger magnetostriktiver Wegsensoren ist über den Messbereich ein Draht mit magnetostriktiven Eigenschaften, welcher auch als Wellenleiter bezeichnet wird, frei aufgespannt. Zu Beginn eines jeden Messzyklus wird der Wellenleiter von einem elektrischen Impuls-Strom durchflossen. An der zu messenden Position wirkt ein außerhalb des Sensorgehäuses beweglich angeordneter magnetischer Positionsgeber derart, dass sein Magnetfeld zusammen mit dem von dem elektrischen Impuls-Strom erzeugten, sich zirkular um den Wellenleiter ausbildenden Magnetfeld dort ein mechanisches Wellenpaket innerhalb des Wellenleiters auslöst, welches mit Schallgeschwindigkeit zu beiden Enden des Wellenleiters läuft. Während an dem Ende des Wellenleiters, welches sich am Ende des Messbereichs befindet, das mechanische Wellenpaket durch eine entsprechende mechanische Anbindung des Wellenleiters weitgehendst ohne Reflektion absorbiert wird, wird am Messbereichsanfang das mechanische Wellenpaket mittels einer geeigneten magneto-elektrischen Wandlervorrichtung in ein elektrisches Signal umgewandelt. Eine Auswerte-Elektronik misst die Laufzeit der mechanischen Welle auf dem Wellenleiter vom Ort des Positionsgebers bis zum Messbereichsanfang, welche sich mit hinreichender Genauigkeit aus der Zeitspanne zwischen dem Auftreten des Impuls-Stromes auf dem Wellenleiter und dem Auftreten des in der magneto-elektrischen Wandlervorrichtung erzeugten elektrischen Signals ergibt. Die gemessene Zeitspanne wird von der Auswerte-Elektronik in ein Ausgangssignal umgewandelt, beispielsweise in ein analoges Spannungssignal, welches nach außen bereitgestellt wird. Üblicherweise sind magnetostriktive Sensoren in der Lage, die Position mehrerer magnetischer Positionsgeber zu erfassen. Um jedoch zu diesem Zweck innerhalb eines Messzyklus die Laufzeiten mehrerer Wellenpakete erfassen zu können, sind bestimmte Mindestabstände zwischen den einzelnen Positionsgebern einzuhalten, beispielsweise ein Abstand von 30 Millimeter.Within Such magnetostrictive displacement sensors is over the measuring range a wire with magnetostrictive properties, which also serves as a waveguide is designated, freely clamped. At the beginning of each measuring cycle The waveguide is traversed by an electrical pulse current. At The position to be measured acts outside the sensor housing movably arranged magnetic position sensor such that its magnetic field together with that of the electrical impulse current generated, circularly around the waveguide forming magnetic field there causes a mechanical wave packet within the waveguide, which at the speed of sound to both ends of the waveguide running. While at the end of the waveguide, which is at the end of the measuring range, the mechanical Wave packet through a corresponding mechanical connection of the waveguide is largely absorbed without reflection, is at the beginning of the measuring range the mechanical wave packet by means of a suitable magneto-electric Converter device converted into an electrical signal. A Evaluation electronics measures the running time of the mechanical shaft the waveguide from the position of the position sensor to the beginning of the measuring range, which with reasonable accuracy from the period between the occurrence of the pulse current on the waveguide and the occurrence of the electric generated in the magneto-electric conversion device Signal results. The measured time span is determined by the evaluation electronics converted into an output signal, for example in an analog Voltage signal, which is provided to the outside. Usually Magnetostrictive sensors are capable of multiple position to detect magnetic position encoder. However, for this purpose within one measuring cycle the running times of several wave packets are certain minimum distances to comply with the individual positioners, for example a distance of 30 millimeters.
Soll ein magnetostriktiver Sensor in sicherheitskritischen Systemen eingesetzt werden, so ist es erforderlich, dass ein möglicher Fehler innerhalb des Sensors sicher diagnostiziert wird.Should a magnetostrictive sensor used in safety critical systems be, so it is necessary that a possible error safely diagnosed within the sensor.
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Somit wird nicht erkannt, wenn die nachfolgende Signalauswertung eine Fehlfunktion derart aufweist, dass sie innerhalb eines Messzyklus stets das zweite Wellenpaket fehlerhaft auswertet. Befindet sich der Referenzmagnet am Messbereichsende, so ist je Messzyklus ausschließlich das erste, an der magneto-elektrischen Wandlervorrichtung ankommende Wellenpaket für die Bestimmung der Position des Positionsmagnet heranzuziehen. Somit wird nicht erkannt, wenn die nachfolgende Signalauswertung eine Fehlfunktion derart aufweist, dass sie innerhalb eines Messzyklus stets das erste Wellenpaket fehlerhaft auswertet.Consequently is not recognized if the subsequent signal evaluation is a Malfunction such that they occur within a measuring cycle always evaluates the second wave packet incorrectly. Is located The reference magnet at the end of the measuring range is exclusive for each measuring cycle the first, arriving at the magneto-electric converter device Wave package for determining the position of the position magnet consulted. Thus, it is not recognized when the subsequent signal evaluation has a malfunction such that it is within a measuring cycle always evaluates the first wave packet incorrectly.
Aufgabenstellung:Task:
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetostriktiven Wegsensor zu schaffen, welcher über eine Selbstdiagnose-Funktionalität verfügt, die eine Fehlfunktion der magnetostriktiven Sensorik sicher erkennt und kostengünstig herzustellen ist.The The object of the invention is a magnetostrictive displacement sensor to create which has a self-diagnostic functionality which has a malfunction of magnetostrictive sensing safely recognizes and is inexpensive to manufacture.
Diese Aufgabe wird durch einen magnetostriktiven Wegsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These Task is by a magnetostrictive displacement sensor with the features of claim 1.
Der erfindungsgemäße Sensor weist mindestens 2 Elektromagnete auf, welche innerhalb des Gehäuses des magnetostriktiven Wegsensors an festen Positionen angeordnet sind, wobei ein Elektromagnet in der Nähe des Messbereichsanfangs und ein Elektromagnet in der Nähe des Messbereichsendes fest angebracht ist. Die Elektromagnete sind vorzugsweise als kernlose um den Wellenleiter gewickelte Spulen ausgeführt, deren Draht aus elektrisch leitendem, aber nichtmagnetischen Material besteht, beispielsweise aus Kupfer.Of the Sensor according to the invention has at least 2 electromagnets on which within the housing of the magnetostrictive Displacement sensor are arranged at fixed positions, wherein an electromagnet near the beginning of the measuring range and an electromagnet is firmly attached near the end of the measuring range. The electromagnets are preferably coreless around the waveguide wound coils whose wire is made of electrically conductive, but non-magnetic material, such as copper.
Jeder Elektromagnet ist derart ausgeführt, dass er im aktiven Zustand so auf das magnetostriktive Messsystem einwirkt, dass der magnetostriktive Sensor ein Referenzsignal erzeugt, welches der Position des aktiven Elektromagnet entspricht. Die Elektromagnete werden wechselweise aktiv geschaltet, indem jeweils während eines Messzyklus nur ein Elektromagnet von einem Strom durchflossen wird. Die Auswerteelektronik wertet somit während jedem Messzyklus die Position des Positionsgebers und des während des Messzyklus aktiven Elektromagneten aus, Hierbei wechselt sich von einem Messzyklus zum folgenden Messzyklus die Reihenfolge der in der magneto-elektrischen Wandlervorrichtung eintreffenden auszuwertenden Wellenpakete des aktiven Elektromagneten und des Positionsmagneten ab. Innerhalb der weiterverarbeitenden Elektronik wird die Auswahl des aktiv zu schaltenden Elektromagneten und des Wellenpakets, welches für die Bestimmung der Position des Positionsmagneten heranzuziehen ist, synchronisiert. Diese Aufgabe kann beispielsweise ein Mikrocontroller übernehmen. Somit steht jeweils zusätzlich zum Positionssignal des Positionsmagneten ein Referenzsignal eines der an fester bekannter Position befindlichen Elektromagneten zur Verfügung. Eine nachfolgende Signalauswertung erkennt bei nicht vorhandener Übereinstimmung der Referenzsignale der Elektromagnete mit ihren bekannten mechanischen Positionen einen Fehler des Mess-Systems und kann beispielsweise ein Fehlersignal an die Umgebung bereitstellen oder den Sensor komplett abschalten. Befindet sich der Positionsmagnet sehr nahe an der Position eines der Elektromagnete oder beispielsweise überdeckend an der gleichen Position, so kommt es zu keiner Beeinträchtigung der Funktion während des Zyklus, in dem der andere Elektromagnet aktiv geschaltet ist, da der überdeckte nicht aktiv geschaltete Elektromagnet, welcher kernlos und aus nichtmagnetischem Draht gewickelt ist, das Magnetfeld des Positionsmagneten nicht beeinflusst. Wird nun im nächsten Zyklus dieser Elektromagnet aktiv geschaltet, so liegt während dieses Messzyklus die Situation vor, dass sowohl der Elektromagnet sowie der Positionsmagnet den für eine Signalauswertung notwendigen Mindestabstand unterschritten haben und die beiden mechanischen Wellenpakete nicht sauber getrennt sind. Dies wird von der Signalelektronik erkannt und die Messung während dieses Messzyklus wird ignoriert beziehungsweise ausgeblendet. Im nachfolgenden Messzyklus kann die Berechtigung dieses Vorganges dadurch abgesichert werden, da die in diesem Zyklus wieder durchführbare Messung ein Positionssignal des Positionsmagneten liefert, welches die räumliche Nähe des Positionsmagneten zu dem im vorhergehenden Messzyklus aktiven Elektromagneten bestätigt.Everyone Electromagnet is designed such that it is active in the Condition so acting on the magnetostrictive measuring system that the magnetostrictive sensor generates a reference signal, which is the Position of the active electromagnet corresponds. The electromagnets are alternately switched active by each during a measuring cycle, only one electromagnet flows through it becomes. The transmitter thus evaluates during each measurement cycle the position of the position sensor and the during the measuring cycle active electromagnet off, this changes from one measurement cycle to following measurement cycle the order of in the magneto-electric Transducer device to be evaluated wave packets of the active electromagnet and the position magnet. Within the processing electronics will be actively choosing switching electromagnet and the wave packet used for the determination of the position of the position magnet is to be used, synchronized. This task can take over, for example, a microcontroller. Thus, in each case in addition to the position signal of Position magnets a reference signal of one of the more firmly known Positioned electromagnet available. A subsequent signal evaluation detects if there is no match the reference signals of the electromagnets with their known mechanical Positions a fault of the measuring system and can, for example provide an error signal to the environment or complete the sensor switch off. If the position magnet is very close to the position one of the electromagnets or for example covering in the same position, so there is no impairment the function during the cycle in which the other electromagnet is active, because the covered not actively switched Electromagnet, which is coreless and wound from non-magnetic wire is, the magnetic field of the position magnet is not affected. Becomes now in the next cycle this solenoid will be active, so during this measurement cycle is the situation that Both the solenoid and the position magnet for a Signal evaluation have fallen below necessary minimum distance and the two mechanical wave packets are not cleanly separated. This is detected by the signal electronics and the measurement during This measurement cycle is ignored or hidden. in the subsequent measurement cycle may be the authorization of this process be ensured by the again in this cycle feasible Measurement provides a position signal of the position magnet, which the spatial proximity of the position magnet to the confirmed in the previous measurement cycle active electromagnet.
Wie beschrieben wechselt die Reihenfolge der von einem Elektromagnet und vom Positionsmagnet verursachten, in der magneto-elektrischen Wandlervorrichtung eintreffenden Wellenpakete ab. Somit ist es nicht möglich, dass ein fehlerhaftes Positionssignal des Positionsmagneten nur dadurch nicht erkannt wird, dass sein zugehöriges Wellenpaket immer in gleicher Reihenfolge in der magneto-elektrischen Wandlervorrichtung eintrifft.As described changes the order of a solenoid and caused by the position magnet in the magneto-electric conversion device incoming wave packets. Thus, it is not possible that a faulty position signal of the position magnet only is not recognized by its associated wave packet always in the same order in the magneto-electric converter device arrives.
Ein derartiger magnetostriktiver Wegsensor besitzt somit die vorteilhafte Eigenschaft, dass das Positionssignal des Positionsmagneten mit hoher Sicherheit auf Übereinstimmung mit der tatsächlichen Position diagnostiziert werden kann. Weiterhin besitzt ein derartiger magnetostriktiver Wegsensor die vorteilhafte Eigenschaft, dass der Messbereich dieses Sensors durch die zusätzliche Diagnose-Funktionalität nicht verkleinert wird und dass die Diagnosefunktionalität durch die Implementierung weniger zusätzlicher Komponenten umsetzbar ist.One Such magnetostrictive displacement sensor thus has the advantageous Property that the position signal of the position magnet with high security of compliance with the actual position can be diagnosed. Furthermore, has such a magnetostrictive Displacement sensor the advantageous property that the measuring range of this Sensors through the additional diagnostic functionality does not shrink and that the diagnostic functionality by implementing fewer additional components is feasible.
Die
Funktionsweise des in
Während eines betrachteten Messzyklus
wird beispielsweise der Elektromagnet
During a considered measuring cycle, for example, the electromagnet
- 1010
- Sensorgehäusesensor housing
- 2020
- Auswerte-ElektronikEvaluation electronics
- 3030
- Wellenleiterwaveguides
- 4040
- Positionsmagnetposition magnet
- 5050
- Elektromagnet-Spule am MessbereichsanfangSolenoid coil at the beginning of the measuring range
- 6060
- Elektromagnet-Spule am MessbereichsendeSolenoid coil at the end of the measuring range
- 7070
- Führungsrohr des Wellenleitersguide tube of the waveguide
- 8080
- Messbereichmeasuring range
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 202004002891 U1 [0005] - DE 202004002891 U1 [0005]
- - DE 3304520 A1 [0006] - DE 3304520 A1 [0006]
- - DE 3131455 A1 [0006] - DE 3131455 A1 [0006]
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