DE102008012053A1

DE102008012053A1 - Induktiv arbeitender Sensor

Info

Publication number: DE102008012053A1
Application number: DE200810012053
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Weiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-10

Abstract

Es wird ein einfacher Sensor geschaffen, der eine Spule mit von der positionsabhängigen Windungsdichte und einen als Target ausgebildeten ferro-/ferrimagnetischen Formkörper innerhalb der Spule aufweist. Durch eine geeignete Treiber- und Auswerteschaltung lässt sich einerseits eine Anregung der Spule mit einem periodischen Signal und andererseits eine Auswertung unter Berücksichtigung des komplexen Widerstandes der Spule realisieren. Der neue Sensor kann mit geeigneten Modifizierungen insbesondere als Füllstands- oder Wegsensor eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiv arbeitenden Sensor aus einer Spule und einem innerhalb der Spule beweglichen Target. Ein solcher Sensor soll insbesondere als Positionssensor und/oder als Füllstandssensor eingesetzt werden können.
In der Praxis besteht der Bedarf nach Positions- und Füllstandssensoren. Hierzu lässt sich bekanntermaßen vorteilhaft die Magnetosensorik einsetzen.
Beispielsweise existieren zur hoch genauen Positionserfassung im Bereich von etwa 4 μm bis 5 μm Genauigkeit magnetische oder optische Positionsgeber basierend auf dem Prinzip von optischen oder magnetischen Messstäben. Diese sind jedoch vergleichsweise teuer und werden daher im Allgemeinen nur in höherwertigen Druck oder Werkzeugmaschinen eingesetzt. Daneben sind sog. „Linear Variable Differential Transformers” (LVDT) aus mindestens vier unterschiedlich gewickelten und zu einander definiert positionierten Windungen und einem hochwertigen Kern bekannt, der etwa die Länge der halben Messstrecke besitzt.
Bekannte Systeme können bis um ca. 50% länger als die eigentliche Messtrecke sein, bewirken einen mechanischen Offset und sind weiterhin vergleichsweise teuer. Dadurch sind solche LVDT für Anwendungen speziell im Automobilbereich eher ungeeignet. Der Vorteil der LVDT liegt allerdings in ihrer hohen Linearität. Der Linearitätsfehler wird häufig mit weniger als 0,01% angegeben. Diese hohe Linearität des sensitiven Elementes ist aber immer mit den erwähnten hohen Herstellungskosten und den großen Außenabmessungen verbunden.
Als kostengünstige Lösung der Positionserfassung für Entfernungen über 5 cm werden Arrays aus Reed-Relais oder Schleif kontakte zwischen zwei Widerstandsdrähten verwendet. In einigen Applikationen werden auch optische Systeme zur Positionserfassung angewandt, die jedoch durch ihre Verschmutzungsempfindlichkeit nur begrenzt einsetzbar sind.
Eine präzise relativ Positionserfassung über weitere Entfernungen, d. h. insbesondere > 5 cm, auf magnetischer Basis erfordert beim Stand der Technik allerdings eine hohe Zahl von Einzelkomponenten oder Systeme mit geringem Abstand zwischen dem das Magnetfeld erzeugenden Magneten und dem Sensoren. Für eine kostengünstige und zuverlässige Realisierung fehlen bisher geeignete sensorische Problemlösungen, die die Anforderungen hinsichtlich Fremdbeeinflussung, Abstandstoleranz zwischen dem das Magnetfeld erzeugenden Magneten bzw. einem das Magnetfeld beeinflussenden Formkörpers und Sensor sowie insbesondere einen kostengünstigen Systemaufbau erfüllen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen vereinfachten induktiv arbeitenden sensor zu schaffen. Bei Verwendung von wenigen preisgünstigen Einzelkomponenten soll beispielsweise die Bewegung eines Ventils oder die Position eines Schwimmers in einem Tank magnetisch, kontaktlos und damit weitestgehend resistent gegen Verschmutzung präzise erfasst werden.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Kombination der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist ein induktiv arbeitender Sensor, der sich in vorteilhafter Weise insbesondere als Positionssensor, aber auch als Füllstandssensor einsetzen lässt. Durch die geeignete Ausbildung von Spule mit variierender Windungsdichte, in der ein ferro- bzw. ferrimagnetischer Formkörper als sog. Target eingebracht ist, lässt sich in Verbindung mit einer geeigneten Treiber-/Auswerteschaltung ein geeignetes Signal gewinnen. Wesentlich ist dabei, dass bei der Auswertung der komplexe Widerstand der Spule berücksichtigt wird.
Mit der Erfindung können aufgrund der einfachen induktiven Problemlösung solche praxistaugliche Systeme aufgebaut werden, die einen geeigneten Kompromiss zwischen den unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich Fremdbeeinflussung, Abstandstoleranz, Genauigkeit, Komplexität bzw. Kosten darstellen. In seiner einfachsten Ausführung braucht dabei nur der Betrag des komplexen Widerstandes berücksichtigt werden, was durch eine Strom-Spannungsmessung bzw. durch eine Vorgabe des Stroms, der zuverlässig stationär regelbar ist, verbunden mit einer Spannungsmessung oder durch eine Vorgabe der Spannung, die ebenfalls zuverlässig stationär regelbar ist, verbunden mit einer Strommessung, erfolgen kann. Die dabei auftretende nichtlineare Kennlinie wird über eine kostengünstige digitale Elektronik linearisiert bzw. in ein gültiges Positions-/Füllstandssignal umgerechnet.
Von letzterem abgesehen ist bei der Erfindung kein unerwünschter mechanischer/galvanischer Kontakt zwischen dem Formkörper, dessen Position erfasst werden soll, und dem Positionserfassungssystem, z. B. dem Schwimmer einer Füllstandsanzeige, vorhanden. Das System ist weitestgehend resistent gegen Verschmutzungen, wobei Signale mit einer Genauigkeit von ±3% bis ±4% erfasst werden können.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Es zeigen
1 das Prinzip des neuen induktiven Sensors,
2 eine graphische Darstellung des Sensorsignals in Abhängigkeit von der Sensorposition zum Beleg der linearen Signalabhängigkeit des Sensors gemäß 1,
3 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Signalauswertung des Sensors gemäß 1,
4 den induktiven Sensor gemäß 1 zur Verwendung als Positionssensor bei einer Werkzeugmaschine und
5 den induktiven Sensor gemäß 1 zur Verwendung als Füllstandssensor in einem Flüssigkeitsbehälter.
Zur Schaffung eines verbesserten induktiven Sensors, der beispielsweise als Positionssensor an Werkzeugmaschinen oder als Füllstandssensor für Flüssigkeitsbehälter einsetzbar ist, wird ein System aus Hardware- und Software-Komponenten vorgeschlagen. Das vorgeschlagene System besteht im Wesentlichen aus drei Hauptkomponenten:

– Einer Spule mit von der Position abhängiger Windungsdichte, die z. B. wurzelförmig zunehmend ausgebildet ist. Die Spule ist auf ein geeignetes Trägerrohr, beispielsweise aus Kunststoff, gewickelt, wobei der Rohrdurchmesser ca. das 0,01- bis 0,2fache der Länge der Spule beträgt.
– Einem ferro-/ferrimagnetischen Formkörper mit μ_r >> 1, der in einen Schwimmer integriert werden kann (sog. Target). Dabei ist die Länge des ferro-/ferrimagnetischen Formkörpers ca. das 0,1 bis 0,5fache der Länge der Spule.
– Einer geeigneten Treiber-/Auswerteschaltung, die die Spule mit einem periodischen Signal im kHz bzw. unteren MHz treibt und den komplexen Widerstand der Spule auswertet. Als Signal soll dabei vorzugweise ein Sinussignal verwendet werden.

In 1 ist ein Rohr 1 aus isolierendem Material dargestellt, auf dem eine Spule 2 gewickelt ist, die eine variable Windungsdichte hat. Die Windungen sind beispielsweise aus Kupfer gebildet, wobei die Windungsdichte insbesondere wurzelförmig zunehmend ausgebildet ist.
Im vorderen Teil des Rohres 1, d. h. im Bereich der geringsten Windungsdichte, ist ein Target 5 vorhanden, welches in Rohrlängsrichtung verschiebbar ist. Das Target 5 beinhaltet einen ferromagnetischen Formkörper, der in den Ausschnitten A und B der 1 in zwei alternativen Ausführungsformen mit 6 bzw. 7 bezeichnet ist. Beispielsweise kann dafür Silicium-Eisen(SiFe)-Material geblecht sein oder ein Mangan-Zink(MnZn)- Ferrit in geeigneter Form verwendet werden. Es wird somit mit dem Target 5 ein lageabhängiger Sensor 10 gebildet.
Da sich das Target 5 mit dem ferro-/ferrimagnetischen Formkörper aus SiFe-Trafoblechen gemäß 1A oder weichmagnetischem Ferrit gemäß 1B im Inneren der Spule 2 befindet, beeinflusst je nach der lokalen Windungsdichte der Spule 2 in seiner Umgebung die Induktivität und über den Wirbelstrom und die damit verbundenen Ummagnetisierungs-Verluste auch den ohmschen Widerstand der Anordnung. Wird nun die Anordnung z. B. mit einem sinusförmigen Strom konstanter Amplitude bei einer konstanten Frequenz von einigen kHz bis MHz betrieben, kann durch eine einfache Messung des Betrags der an der Spule anliegenden Spannung der Betrag des komplexen Widerstand ermittelt werden.
Für die Spannungs-/Strombeziehung zwischen Betrag der Spannung und dem Betrag des externen Stromes unter Ansatz eines komplexen Widerstandes für die Anordnung aus Spule 2 und Schwimmer 5 gilt die Gleichung 1, wobei Gleichung 1a den Betrag des komplexen Widerstandes Z darstellt:
Dabei ist L ∝ N(x)2 (1b)und es bedeuten

N(x):: Windungsdichte in Abhängigkeit von der Position
L(N(x)):: Induktivität in Abhängigkeit der Position des Targets mit ferro-/ferrimagnetischem Formkörper
A:: Wirbelstromverlustfaktor
R_Cu:: statischer Windungswiderstand

Mit RCu << A(ωNmin)2 (1c)folgt |U| ≈ B·(N(x))2 + C·N(x) + U0 (2)
Bei etwa wurzelförmig zunehmender Windungsdichte
kann ein um einen Offset aus dem Nullpunkt verschobener linearer Verlauf für |Z| erreicht werden.
In 2 sind auf der Abszisse die Position des Targets 5 in mm und auf der Ordinate ein Messsignal, das als Widerstandssignal in Ω angegeben ist, aufgetragen und ein zugehöriger Graph 21 dargestellt. Gleichermaßen ist die Abweichung des Widerstandssignals in Ω, d. h. der Ortsfehler des Systems, durch einen zugehörigen Graphen 22 verdeutlicht. Da das Signal reproduzierbar ist und der Graph 21 einen einlinearen Zusammenhang wiedergibt, ist die Verwendung der Anordnung als Positionssensor möglich, sofern eine geeignete Signalauswertung erfolgt.
Durch ein einfaches elektronisches System, das beispielsweise aus einem analogen Differenzverstärker mit Subtrahierer besteht, einem Bandpass, der auf die Betriebsfrequenz eingestellt ist, optional einer Ein- oder Zweiwegegleichrichtung, einer A/D-Wandlung und einer nachfolgenden Offset-Korrektur und Linearisierung, z. B. über 10 bis 100 Stützstellen, kann ein genaues Positionssignal errechnet und ausgegeben werden.
Der eingangs erwähnte technische Aufwand bei dem sog. LVDT's („Linear Variable Differential Transformers”) über mehrere präzise zueinander positionierte Windungen mit inhomogener/linear zunehmender Windungsdichte und eines teuren auch bei hohen Frequenzen verlustfreien und vergleichsweise langen Kerns wird bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau vermieden. Dafür ist eine digitale Linearisierung notwendig. Der Genauigkeitsverlust auf ca. ±2% kann bei vielen Anwendungen – vor allem im Automobilbereich – toleriert werden, da lineare Differentialtransformatoren häufig eine Gesamtgenauigkeit von ca. 0,025% bis 0,5% besitzen.
Bei der zugehörigen Schaltungsanordnung ist gemäß dem Blockschaltbild nach 3 der Sensor aus 1 pauschal mit 10 bezeichnet und an eine Schaltung zur Auswertung angeschlossen. Die Schaltung 30 kann ein anwendungsspezifischer ASIC sein.
Bei einem diskreten Aufbau besteht die Schaltung 30 aus einem Verstärker 31, dem ein Bandpass 32 und optional ein Gleichrichter 33 nachgeschaltet sind. Weiterhin ist ein A/D-Wandler 34 vorhanden, der die digitalisierten Messwerte auf einen Mikroprozessor 35 o. dgl. gibt. Im Mikroprozessor 35 erfolgt wenigstens eine digitale Filterung, eine Offset-Korrektur, eine Linearisierung und eine Temperaturkompensation der Eingangssignale. Ausgegeben werden die Positions- bzw. Füllstandssignale, wobei gleichermaßen eine Rückkopplung der Messsignale in den Verstärker 31 vorgesehen ist. Weiterhin wird hier eine Regelung der Stromquelle für den Sensor 10 vorgenommen. Geeignete Werte sind beispielsweise 20 mA und 50 kHz.
Aus den erfassten Daten ist eine genaue Berechnung der Position möglich. Über ein Analog/Digital-Interface können die Daten dargestellt werden.
In der 4 ist die Verwendung des induktiven Sensors gemäß 1 als Positionssensor bei einer Werkzeugmaschine, die pauschal mit 40 bezeichnet wird, dargestellt.
In vereinfachter Darstellung sind zwei Maschineneinheiten 41 und 42, die linear gegeneinander verschiebbar sind und von denen eine beispielsweise ein Werkzeug führt, dargestellt.
Zwischen den beiden Maschineneinheiten 41, 42 befindet sich der anhand der 1 bis 3 beschriebene Sensor 10, wobei das Rohr 1 mit Spulenwindung 2 an der einen Einheit angebracht ist und das Target 5 über einen Stab 15 mit der anderen Einheit verbunden ist. Damit wird bei einer Relativbewegung der Einheiten 41 und 42 das Target 5 innerhalb der Spule 2 verschoben, wobei das durch die sich ändernde Windungsdichte der Spule 2 entstehende variierende Signal ein Maß für die Relativposition der Maschineneinheiten 41 und 42 ist.
Somit kann beispielsweise die Position eines Werkzeuges, das mit der Maschineneinheit 42 verbunden ist, bestimmt werden.
In der 5 ist die Verwendung des induktiven Sensors gemäß 1 als Füllstandssensor in einem Flüssigkeitsbehälter dargestellt.
Es ist ein Tank 50 mit einem Einlass 51 vorhanden, der mit Flüssigkeit 51 befüllt ist und dessen Füllstand kontinuierlich überprüft werden soll. Zu diesem Zweck ist das Rohr 1 des Sensors 10 an der Tankverwendung angebracht. Das Rohr 10 ist flüssigkeitsdurchspült, so dass das Target 5 sich als Schwimmkörper auf der Flüssigkeitsoberfläche befindet. Das Target 5 folgt also dem sich ändernden Pegel und liefert somit ein Füllstandssignal für einen variierenden Flüssigkeitsvorrat.
Bei der anhand der Figuren beschriebenen Anordnung aus Sensor und Auswerteelektronik ist vorteilhaft, dass sich bei einfachem Systemaufbau und geringen Kosten ein größerer Messbereich als beim Stand der Technik ergibt. Gleichermaßen sind dabei eine gute Störsicherheit und eine hohe Lebensdauer gewährleistet.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass ein einfacher Sensor geschaffen wird, der eine Spule mit von der positionsabhängigen Windungsdichte und einen als Target ausgebildeten ferro-/ferrimagnetischen Formkörper innerhalb der Spule aufweist.
Durch eine geeignete Treiber- und Auswerteschaltung lässt sich einerseits eine Anregung der Spule mit einem periodischen Signal und andererseits eine Auswertung unter Berücksichtigung des komplexen Widerstandes der Spule realisieren. Der neue Sensor kann mit geeigneten Modifizierungen insbesondere als Füllstands- oder Wegsensor eingesetzt werden.

Claims

Induktiv arbeitender Sensor aus einer Spule und einem innerhalb der Spule beweglichen, induktiv beeinflussbaren Target, mit folgenden Merkmalen: – Die Spule (2) hat eine von der Position abhängige Windungsdichte, – das Target ist ein ferri-/ferromagnetischer Formkörper (5); – es ist eine geeignete Treiber-/Auswerteschaltung zur Anregung der Spule (2) mit einem periodischen Signal und zur Auswertung des komplexen Widerstandes (7) der Spule (2) mit ferri-/ferromagnetischem Formkörper (5) vorhanden.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (5) mit ferro-/ferrimagnetischem Formkörper innerhalb der Spule (2) als Schwimmer ausgebildet ist zwecks Verwendung als Füllstandssensor in einem Flüssigkeitsbehälter (51).
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (5) mit ferro-/ferrimagnetischem Formkörper als an einem Stab innerhalb der Spule (2) geführten Sensor ausgebildet ist zur Verwendung als Positionssensor bei einer Werkzeugmaschine.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungsdichte der Spule (2) wurzelförmig zunehmend ausgebildet ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule auf ein geeignetes Trägerrohr (1), vorzugsweise aus Kunststoff, gewickelt ist.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) des Trägerrohres (1) zwischen dem 1- und 2fachen der Länge der Spule (2) beträgt.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferro-/ferrimagnetische Formkörper (5) einen Induktivitätsfaktor von μ_i > 1 hat.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ferro-/ferrimagnetische Formkörper (5) im Schwimmer integriert ist.
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des ferro-/ferrimagnetischen Formkörpers (5) etwa das 0,1 bis 0,5fache der Länge der Spule (2) beträgt.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiber-/Auswerteschaltung (20) mit sinusförmigen Signalen betrieben wird.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ferro-/ferrimagnetische Formkörper (6, 7) aus SiFe-Trafoblechen oder aus weichmagnetischen Ferriten, vorzugsweise MnZn-Ferrit, besteht.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Betrag des komplexen Widerstandes der Anordnung aus Spule (2) mit dem ferro-/ferrimagnetischen Formkörper (6, 7) Gleichung (1a)
mit L ∝ N(x)2 (1b)gilt mit N(x): Windungsdichte in Abhängigkeit der Position des Formkörpers L(N(x)): Induktivität in Abhängigkeit der Position des Formkörpers A: Wirbelstromverlustfaktor R_Cu: statischer Windungswiderstand.
Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Offset aus dem Nullpunkt durch den verschobenen linearen Verlauf des komplexen Widerstandes (Z) ermittelt wird.
Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionssignal rechnerisch ermittelt wird, insbesondere unter Verwendung eines μ-Prozessors (25).