DE102012005344A1 - Contactless position indicator for detecting position of moving object e.g. excavator, has displacement sensor comprising magnetic field enhancement units that generate magnetic field that is superimposed on magnetic field of magnet - Google Patents

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Abstract

The indicator has a sensing transformer (100) with an elongate measuring ferromagnetic core (106) and an elongated coil (108). Another split coil (110) is wound in an end region of the core. A drive magnet (104) is movable along a movement path. An electronic module (102) outputs a measuring signal based on position of the magnet. A permanent magnetic linear contactless displacement sensor comprises magnetic field enhancement units e.g. auxiliary permanent magnet, that generate a magnetic field that is superimposed on the magnetic field of magnet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen berührungslosen Weggeber zum Erfassen der Position eines beweglichen Objektes, wobei der Weggeber einen Messtransformator mit einem langgestreckten ferromagnetischen Messkern und einer ersten langgestreckten Wicklung umfasst, die auf den Messkern gewickelt ist. In einem Endbereich des Messkerns ist eine zweite, geteilte Wicklung über die erste Wicklung gewickelt. Weiterhin ist ein Ansteuermagnet vorgesehen, der annähernd parallel zu der ersten langgestreckten Wicklung linear verfahrbar ist. Dieser Ansteuermagnet wird mit dem Objekt, dessen Position bestimmt werden soll, in geeigneter und an sich bekannter Weise verbunden.The present invention relates to a non-contact type position sensor for detecting the position of a moving object, the position sensor comprising a measuring transformer having an elongated ferromagnetic measuring core and a first elongate winding wound on the measuring core. In one end region of the measuring core, a second, split winding is wound over the first winding. Furthermore, a drive magnet is provided which is linearly movable approximately parallel to the first elongate winding. This drive magnet is connected to the object whose position is to be determined in a suitable manner known per se.

Mit dieser auch als Messtransformator bezeichneten Anordnung kann die aktuelle Linearposition eines mit dem Ansteuermagneten verbundenen Objekts auf dem durch die Länge des langgestreckten Kerns und der darauf befindlichen ersten langgestreckten Wicklung bestimmten Verfahrweg detektiert werden. Der Messkern eines solchen auch als PLCD-Wegsensor (Permanent Magnetic Linear Contactless Displacement Sensor) bezeichneten Gebers ist vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material. Der an den Sensor angenäherte Ansteuermagnet führt zu einer lokalen magnetischen Sättigung dieses Messkerns und damit zu einer virtuellen Teilung des Kerns. Belegt man die langgestreckte Primärspule mit einem geeigneten Wechselstrom, wird in den Auswertespulen der zweiten geteilten Wicklung eine von der Position des gesättigten Bereichs abhängige Spannung induziert. So kann die Länge der virtuellen Teile des Kerns und damit die Position des gesättigten Bereichs ermittelt werden. Ein Beispiel für einen solchen Messtransformator ist in der deutschen Patentschrift DE 4425903 C2 erläutert. Eine allgemeine physikalische Beschreibung dieses Messprinzips ist beispielsweise auch dem Artikel Erb O. et al.: „PLCD, a Novel Magnetic Displacement Sensor, Sensors and Actuators A, 25–27 (1991) S. 272 bis 282 , zu entnehmen.With this arrangement, which is also referred to as a measuring transformer, the current linear position of an object connected to the driving magnet can be detected on the travel path determined by the length of the elongate core and the first elongate winding located thereon. The measuring core of such a sensor, which is also referred to as a PLCD displacement sensor (Permanent Magnetic Linear Contactless Displacement Sensor), is preferably made of a soft magnetic material. The drive magnet, which is approximated to the sensor, leads to a local magnetic saturation of this measuring core and thus to a virtual division of the core. If the elongated primary coil is occupied by a suitable alternating current, a voltage dependent on the position of the saturated region is induced in the evaluation coils of the second divided winding. Thus, the length of the virtual parts of the core and thus the position of the saturated area can be determined. An example of such a measuring transformer is in the German patent specification DE 4425903 C2 explained. A general physical description of this measurement principle is, for example, the article Erb O. et al .: "PLCD, a Novel Magnetic Displacement Sensor, Sensors and Actuators A, 25-27 (1991) pp. 272-282 , refer to.

1 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines PLCD-Wegsensors, wie er beispielsweise von der Firma Tyco Electronics AMP GmbH erhältlich ist und mit geeigneten Modifikationen gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann (siehe die Publikation „PLCD Wegsensoren für Industrie-Applikationen”, Tyco Electronics AMP GmbH, 2001, Internet: http://www.tycoelectronics.ch/_includes/pdf/ste/catalogs/1308198_0401_g_Sensoren-PLCD.pdf ). 1 shows a schematic representation of a PLCD displacement sensor, as it is available for example from Tyco Electronics AMP GmbH and can be used with suitable modifications according to the present invention (see the publication "PLCD Displacement Sensors for Industrial Applications", Tyco Electronics AMP GmbH, 2001, Internet: http://www.tycoelectronics.ch/_includes/pdf/ste/catalogs/1308198_0401_g_Sensoren-PLCD.pdf ).

Wie aus 1 ersichtlich, erfolgt die Versorgung des PLCD-Messtransformators 100 mit einem geeigneten Wechselstrom, und die Verarbeitung, Auswertung und Umwandlung der Signale durch ein Elektronikmodul 102, das entweder extern angeordnet oder im Sensor integriert sein kann. Das Elektronikmodul 102 gibt als Messsignal in Abhängigkeit von der Position x des Ansteuermagneten 104 eine Messkurve, wie im oberen Teil der 1 gezeigt, aus.How out 1 As can be seen, the supply of the PLCD measuring transformer takes place 100 with a suitable alternating current, and the processing, evaluation and conversion of the signals by an electronic module 102 , which can either be arranged externally or integrated in the sensor. The electronics module 102 gives as measuring signal as a function of the position x of the control magnet 104 a trace, as in the upper part of the 1 shown off.

Wie aus 1 ersichtlich, ist das von der elektronischen Schaltung 102 gelieferte Signal innerhalb des Messbereichs linear vom Ort x des Ansteuermagneten 104 abhängig. Grundsätzlich lässt sich das Prinzip des PLCD-Sensors auch auf Anordnungen übertragen, bei denen der Sensor nicht geradlinig, sondern gebogen ausgeführt wird. Ein solcher Sensor ist beispielsweise für die Messung von Schwenkantrieben geeignet. Obwohl daher nachfolgend alle Ausführungen auf einen linearen PLCD-Wegsensor gerichtet sind, ist für einen Fachmann aber klar, dass die erfindungsgemäßen Prinzipien sich auch auf einen rotativen PLCD-Sensor übertragen lassen, wie er z. B. in der Publikation „PLCD Wegsensoren für Industrie-Applikationen”, Tyco Electronics AMP GmbH, 2001, Internet: http://www.tycoelectronics.ch/_includes/pdf/ste/catalogs/1308198_0401_g_Sensoren-PLCD.pdf , dargestellt ist.How out 1 it can be seen that is from the electronic circuit 102 signal supplied within the measuring range linearly from the location x of the control magnet 104 dependent. In principle, the principle of the PLCD sensor can also be transferred to arrangements in which the sensor is not designed to be rectilinear but curved. Such a sensor is suitable for example for the measurement of rotary actuators. Although all embodiments are therefore directed to a linear PLCD displacement sensor, it will be clear to a person skilled in the art that the principles according to the invention can also be applied to a rotary PLCD sensor, as described, for example, in US Pat. In the publication "PLCD Displacement Sensors for Industrial Applications", Tyco Electronics AMP GmbH, 2001, Internet: http://www.tycoelectronics.ch/_includes/pdf/ste/catalogs/1308198_0401_g_Sensoren-PLCD.pdf , is shown.

Ein wesentlicher Aspekt des PLCD-Prinzips ist die mechanische Anbindungsfreiheit zwischen dem Ansteuermagneten und dem Sensorelement. Dadurch ist die Ansteuerung des Sensors auch durch Trennwände hindurch möglich, solange diese aus nicht-magnetisierbaren Materialien bestehen. Eine Anwendung, bei der die Vorteile dieser Möglichkeit deutlich werden, ist die Erfassung einer Kolbenposition in Hydraulik- oder Pneumatiksystemen. Bei diesen Anwendungen wird auf dem Kolben ein Dauermagnet befestigt, der den PLCD-Messtransformator durch die Zylinderwand hindurch ansteuert.An essential aspect of the PLCD principle is the mechanical connection freedom between the drive magnet and the sensor element. As a result, the control of the sensor is also possible through partitions, as long as they consist of non-magnetizable materials. One application that demonstrates the benefits of this capability is the detection of a piston position in hydraulic or pneumatic systems. In these applications, a permanent magnet is mounted on the piston, which drives the PLCD measuring transformer through the cylinder wall.

Die erzielbaren Ansteuerabstände werden im Wesentlichen durch die Größe und Stärke des Ansteuermagneten bestimmt. Für einen Ansteuerabstand von ca. 15 mm muss bei Verwendung von Preiswertmaterialien wie Hartferrit bereits ein Magnetvolumen von ca. 1 cm3 verwendet werden. Grundsätzlich geht das ansteuernde Magnetfeld in erster Ordnung nicht in das Messsignal ein, solange die Feldstärke nur groß genug ist, um den Kern in dem Sättigungsbereich 112 vollständig zu sättigen. Prinzipbedingt gehen Montagetoleranzen und Schwankungen des Luftspalts zwischen Sensor und Magnet nur geringfügig oder gar nicht in die Kennlinie des Sensors ein, solange der Ansteuerabstand innerhalb eines gewissen Arbeitsbereiches um den optimalen Ansteuerabstand herum erhalten bleibt.The achievable drive distances are essentially determined by the size and strength of the drive magnet. For a drive distance of approx. 15 mm, a magnet volume of approx. 1 cm 3 must be used when using inexpensive materials such as hard ferrite. In principle, the driving magnetic field in the first order does not enter the measuring signal as long as the field strength is only large enough to reach the core in the saturation region 112 to completely saturate. Due to the principle, mounting tolerances and fluctuations of the air gap between sensor and magnet are only slightly or not at all in the characteristic curve of the sensor, as long as the driving distance is maintained within a certain working range around the optimum driving distance around.

Da die Preise für Magneten in der vergangenen Zeit drastisch gestiegen sind, stellt der Ansteuermagnet bei einem PLCD-Sensor einen wesentlichen Kostenfaktor dar. So waren seit Herbst 2010 die Preise für die Seltenen Erden in einem ständigen Aufwärtstrend, ab Mitte 2011 kam es zu einer Preisexplosion von bis zu 600%. Neodym ist eines von 17 Elementen der Seltenen Erden und wird beispielsweise zur Herstellung des Magnetwerkstoffs Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) benötigt.Since magnet prices have risen dramatically in recent years, the driving magnet of a PLCD sensor is a significant cost factor. Since the fall of 2010, rare earth prices have been in a constant upward trend, with mid-2011 causing a price explosion up to 600%. Neodymium is one of 17 elements of the rare earths and is needed, for example, for the production of the magnetic material neodymium-iron-boron (NdFeB).

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen PLCD-Sensor mit kleinerem Ansteuermagneten zu ermöglichen, wobei der Sensor dennoch ein verlässliches und reproduzierbares Ausgangssignal liefert.The object of the present invention is to provide a PLCD sensor with a smaller drive magnet, wherein the sensor nevertheless provides a reliable and reproducible output signal.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is solved by the subject matter of the independent claim. Advantageous developments of the present invention are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dass durch eine gleichmäßige magnetische Vorspannung des Messkerns in Richtung der Sättigung der Abstand zur vollständigen Sättigung am virtuellen Teilpunkt des Messkerns reduziert und damit die Verwendung wesentlich kleinerer Ansteuermagneten ermöglicht wird.The present invention is based on the idea that a uniform magnetic bias of the measuring core in the direction of saturation reduces the distance to complete saturation at the virtual sub-point of the measuring core and thus enables the use of substantially smaller driving magnets.

Damit vereint der erfindungsgemäße PLCD-Sensor die Vorteile einer kontinuierlichen berührungslosen linearen oder rotatorischen Wegmessung mit einer kostengünstigen Herstellbarkeit und geringen Einbaugröße.Thus, the PLCD sensor according to the invention combines the advantages of a continuous non-contact linear or rotary displacement measurement with cost-effective manufacturability and low installation size.

Die wichtigsten Applikationsfelder liegen auf dem Gebiet der Sonderfahrzeuge, wie Gabelstapler und Bagger, der Messung von Kolbenstellungen in Zylindern oder der Ventilstellung bei Hydraulik, Pneumatik und Elektroantrieben, im Maschinen- und Anlagenbau, bei der Füllstands- und Durchflussmessung, bei der Automatisierungstechnik, z. B. für Stellantriebe und Schwenkantriebe, in der Förder- und Lagertechnik, sowie in der Gebäude- und Sicherheitstechnik.The main fields of application are in the field of special vehicles, such as forklifts and excavators, the measurement of piston positions in cylinders or the valve position in hydraulics, pneumatics and electric drives, in mechanical and plant engineering, in the level and flow measurement, in automation technology, eg. As for actuators and part-turn actuators, in conveyor and storage technology, as well as in building and security technology.

Der erfindungsgemäße magnetische Gleichanteil, der den Messkern magnetisch vorspannt, kann in verschiedener Weise in den magnetischen Kreis eingebracht werden. Zum einen kann ein Hilfspermanentmagnet vorgesehen sein, der die erfindungsgemäße Magnetfeldverstärkung bewirkt. Diese Lösung hat den Vorteil, dass sie in vergleichsweise einfacher Weise ohne Änderung der Softwarekomponenten und des Elektronikmoduls realisierbar ist.The magnetic DC component according to the invention, which magnetically biases the measuring core, can be introduced into the magnetic circuit in various ways. On the one hand, an auxiliary permanent magnet can be provided which effects the magnetic field amplification according to the invention. This solution has the advantage that it can be implemented in a comparatively simple manner without changing the software components and the electronic module.

Alternativ hierzu kann der magnetische Gleichanteil aber auch durch Einspeisen eines Gleichstroms bzw. einer Gleichspannung zusätzlich zu der speisenden Wechselspannung aufgeprägt werden. Diese Losung hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen, wiederum kostenverursachenden Permanentmagneten vorgesehen werden müssen. Das elektrisch erzeugte magnetische Gleichfeld kann dabei entweder mit einer der bereits vorhandenen Wicklungen erzeugt werden oder aber mit Hilfe einer zusätzlichen dritten Wicklung, die an dem Messtransformator oder einem optional vorhandenen Rückschlusskern vorgesehen ist. Ein solcher Rückschlusskern kann generell vorgesehen werden, um einen Teil des magnetischen Feldes außerhalb des Messkerns zu führen und dadurch die Verluste zu reduzieren.Alternatively, the magnetic DC component can also be impressed by supplying a direct current or a DC voltage in addition to the feeding AC voltage. This solution has the advantage that no additional, again cost-causing permanent magnets must be provided. The electrically generated direct magnetic field can be generated either with one of the already existing windings or with the help of an additional third winding, which is provided on the measuring transformer or an optional existing return core. Such a return core may generally be provided to guide a portion of the magnetic field outside the measuring core and thereby reduce losses.

Sowohl für den mindestens einen Hilfspermanentmagneten wie auch für die dritte Wicklung gibt es verschiedene Möglichkeiten der mechanischen Anordnung. Prinzipiell können diese als Magnetfeldverstärkungseinheit wirkenden Komponenten überall in dem geschlossenen Magnetkreis des Sensors eingebaut werden, und alle Möglichkeiten der beschriebenen Magnetfeldverstärkung können beliebig kombiniert und in geeigneter Weise abgewandelt werden.Both for the at least one auxiliary permanent magnet as well as for the third winding, there are various possibilities of the mechanical arrangement. In principle, these components acting as a magnetic field amplification unit can be installed everywhere in the closed magnetic circuit of the sensor, and all possibilities of the described magnetic field amplification can be arbitrarily combined and modified in a suitable manner.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der Tatsache, dass das eingeprägte zusätzliche Magnetfeld nicht nur betragsmäßig zur Sättigung Messkerns beiträgt, sondern auch vektoriell additiv mit dem Magnetfeld des Ansteuermagneten interagiert.Another aspect of the present invention results from the fact that the impressed additional magnetic field not only contributes in magnitude to the saturation of the measuring core, but also interacts vectorially with the magnetic field of the driving magnet.

Es lässt sich zeigen, dass durch eine Anordnung des Ansteuermagneten in einer Weise, dass die Polarisierungsachse des Ansteuermagneten nicht parallel zur Längsachse des Messkerns ausgerichtet wird, sondern einen Winkel mit dieser einschließt, der Messbereich des erfindungsgemäßen Sensors geometrisch verschoben ist. Durch einen derartigen Offset kann erreicht werden, dass der Weggeber eine Mittenposition anzeigt, während der Ansteuermagnet geometrisch außermittig im Bezug auf den Messkern angeordnet ist. Dieser vorbestimmte Versatz zwischen dem angezeigten und dem tatsächlichen x-Wert um einen bestimmten Offset-Wert lässt sich in vorteilhafter Weise für eine Kompensation nutzen, wenn aufgrund von Einbaubedingungen eine exakte Übereinstimmung zwischen der Mittenlage des Messtransformators und der Nulllage des Ansteuermagneten nicht realisiert werden kann.It can be shown that by an arrangement of the drive magnet in such a way that the polarization axis of the drive magnet is not aligned parallel to the longitudinal axis of the measuring core, but forms an angle therewith, the measuring range of the sensor according to the invention is geometrically shifted. By such an offset can be achieved that the displacement sensor displays a center position, while the control magnet is arranged geometrically off-center with respect to the measuring core. This predetermined offset between the displayed and the actual x-value by a certain Offset value can be used for compensation in an advantageous manner, if due to installation conditions an exact match between the center position of the measuring transformer and the zero position of the control magnet can not be realized.

Insbesondere kann die Polarisierung des Ansteuermagneten so gerichtet sein, dass die Polarisierungsachse senkrecht zur Längsachse des Messkerns verläuft. Dabei ist es grundsätzlich unerheblich, ob die Nord-Süd-Ausrichtung so erfolgt, dass der Nordpol am messkernnahen oder am messkernfernen Ende des Ansteuermagneten angeordnet ist.In particular, the polarization of the drive magnet may be directed so that the polarization axis is perpendicular to the longitudinal axis of the measuring core. It is basically irrelevant whether the north-south orientation is such that the north pole is arranged at the measuring core near or at the measuring core distant end of the driving magnet.

Dadurch, dass der Messkern magnetisch vorgespannt ist, verschiebt sich der Arbeitspunkt der Sensoranordnung in einer Induktion/Feldstärke-Kennlinie in Richtung auf die vollständige Sättigung und bei entsprechend hohen eingespeisten Amplituden des Wechselsignals kann die positive Halbwelle dazu führen, dass der lineare Bereich bereits verlassen wird. Daher kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, lediglich die negative Halbwelle des Wechselsignals auszuwerten. Dabei bezeichnet die „negative” Halbwelle diejenige Halbwelle, welche dem aufgeprägten Magnetfluss der Magnetfeldverstärkungseinheit entgegenwirkt.Because the measuring core is magnetically biased, the operating point of the sensor arrangement shifts in an induction / field strength characteristic in the direction of complete saturation, and with correspondingly high amplitudes of the alternating signal, the positive half-wave can lead to the linear region already being left , Therefore, it can be advantageously provided to evaluate only the negative half-wave of the alternating signal. In this case, the "negative" half-wave denotes that half-wave which counteracts the impressed magnetic flux of the magnetic field amplification unit.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.For a better understanding of the present invention, this will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the following figures. The same parts are provided with the same reference numerals and the same component names. Furthermore, individual features or combinations of features from the embodiments shown and described can in themselves represent independent inventive or inventive solutions.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Prinzipdarstellung eines PLCD-Sensors; 1 a schematic diagram of a PLCD sensor;

2 eine schematische Darstellung einer B/H-Kennlinie für einen PLCD-Sensor; 2 a schematic representation of a B / H characteristic for a PLCD sensor;

3 eine schematische Darstellung des Magnetfelds eines Ansteuermagneten über einem Messkern eines PLCD-Sensors; 3 a schematic representation of the magnetic field of a drive magnet over a measuring core of a PLCD sensor;

4 eine schematische Darstellung der magnetischen Feldstärke in Abhängigkeit vom Ort im Messkern; 4 a schematic representation of the magnetic field strength as a function of location in the measuring core;

5 ein magnetisches Ersatzschaltbild eines PLCD-Sensors; 5 a magnetic equivalent circuit of a PLCD sensor;

6 ein magnetisches Ersatzschaltbild eines Reverse-PLCD-Sensors; 6 a magnetic equivalent circuit of a reverse PLCD sensor;

7 ein schematisches elektrisches Ersatzschaltbild eines PLCD-Transformators; 7 a schematic electrical equivalent circuit diagram of a PLCD transformer;

8 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines PLCD-Sensors mit Hilfsmagneten; 8th a schematic representation of a first embodiment of a PLCD sensor with auxiliary magnets;

9 eine zweite Ausführungsform eines PLCD-Sensors mit Hilfsmagneten; 9 a second embodiment of a PLCD sensor with auxiliary magnets;

10 eine dritte Ausführungsform eines PLCD-Sensors mit Hilfsmagneten; 10 a third embodiment of a PLCD sensor with auxiliary magnets;

11 eine vierte Ausführungsform eines PLCD-Sensors mit Hilfsmagneten; 11 a fourth embodiment of a PLCD sensor with auxiliary magnets;

12 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Speisespannung mit eingeprägtem Gleichanteil; 12 a schematic representation of the time course of a supply voltage with imprinted DC component;

13 eine erste Ausführungsform eines PLCD-Sensors mit elektrisch eingeprägtem magnetischem Gleichfeld; 13 a first embodiment of a PLCD sensor with electrically impressed DC magnetic field;

14 eine zweite Ausführungsform des PLCD-Sensors mit elektrisch eingeprägtem Gleichfeld; 14 a second embodiment of the PLCD sensor with electrically impressed DC field;

15 schematische Darstellung der Kennlinie Induktion/Feldstärke und Erläuterung des Arbeitspunkts eines PLCD-Sensors; 15 schematic representation of the characteristic curve induction / field strength and explanation of the operating point of a PLCD sensor;

16 eine schematische Darstellung eines PLCD-Sensors mit aufrecht gestelltem Ansteuermagnet; 16 a schematic representation of a PLCD sensor with erected control magnet;

17 eine schematische Darstellung des Verlaufs der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit von dem Ort x; 17 a schematic representation of the course of the magnetic flux density as a function of the location x;

18 eine schematische Darstellung der Anordnung aus 16 mit um 180° gedrehtem Ansteuermagneten; 18 a schematic representation of the arrangement 16 with driven by 180 ° drive magnet;

19 eine schematische Darstellung des Magnetfeldes eines ersten Magneten; 19 a schematic representation of the magnetic field of a first magnet;

20 eine schematische Darstellung des Magnetfeldes eines zweiten Magneten; 20 a schematic representation of the magnetic field of a second magnet;

21 Vergleich der Magnetfeldlinien für die Magneten aus 19 und 20; 21 Comparison of the magnetic field lines for the magnets 19 and 20 ;

22 eine schematische Darstellung eines eingebauten PLCD-Sensors mit verschobenem Nullpunkt. 22 a schematic representation of a built-in PLCD sensor with shifted zero point.

Mit Bezug auf die 1 und 2 soll nachfolgend zunächst das allgemeine Prinzip eines Weggebers 100 basierend auf dem Prinzip eines PLCD(Permanent Magnetic Linear Contactless Displacement)-Sensors näher erläutert werden.With reference to the 1 and 2 The following is the general principle of a Weggebers 100 based on the principle of a PLCD (Permanent Magnetic Linear Contactless Displacement) sensor.

Wie bereits erwähnt, basiert der Messeffekt des in 1 gezeigten PLCD-Sensors 100 darauf, dass in dem Messkern 106 innerhalb der langgestreckten ersten Wicklung 108 in einem Messbereich zwischen x = 0 mm und x = xmax mm durch die Einwirkung des Ansteuermagneten 104 lokal ein Sättigungsbereich 112 erzeugt wird.As already mentioned, the measuring effect of the in 1 shown PLCD sensor 100 on that in the measuring core 106 within the elongated first winding 108 in a measuring range between x = 0 mm and x = x max mm due to the action of the control magnet 104 locally a saturation region 112 is produced.

Dabei versteht man, wie dies allgemein bekannt ist, unter einer Sättigungsmagnetisierung diejenige Magnetisierung, bei der in einem ferromagnetischen Stoff eine Erhöhung der äußeren magnetischen Feldstärke H keine Erhöhung der Magnetisierung des Stoffes mehr bewirkt. Dieser hat somit den konstanten materialspezifischen Sättigungswert erreicht. Trägt man bei einem Werkstoff die magnetische Flussdichte B gegenüber der von außen aufgebrachten magnetischen Feldstärke H in einer Kennlinie auf, ergibt sich die auch als Magnetisierungskurve gezeichnete Kennlinie, die in 2 dargestellt ist. Die Abflachung der Steigung kennzeichnet dabei anschaulich den Beginn der Sättigungsmagnetisierung.It is understood, as is well known, under a saturation magnetization that magnetization in which in a ferromagnetic material, an increase in the external magnetic field strength H causes no increase in the magnetization of the substance more. This has thus reached the constant material-specific saturation value. If, in the case of a material, the magnetic flux density B is plotted with respect to the externally applied magnetic field strength H in a characteristic curve, the characteristic also drawn as a magnetization curve is obtained 2 is shown. The flattening of the slope clearly indicates the beginning of the saturation magnetization.

Um Verluste möglichst gering zu halten, kann weiterhin ein Rückschlusskern 114 vorgesehen sein, der den magnetischen Kreis des Messtransformators schließt. Der Ansteuermagnet 104 bewirkt in einem lokalen Bereich 112 des Messkerns die Sättigung. Dadurch wird der Transformator virtuell in zwei Einzeltransformatoren aufgetrennt. Dies ist schematisch in 3 gezeigt.In order to keep losses as low as possible, can still be a return core 114 be provided, which closes the magnetic circuit of the measuring transformer. The drive magnet 104 operates in a local area 112 of the measuring core saturation. As a result, the transformer is virtually separated into two individual transformers. This is schematically in 3 shown.

Erfindungsgemäß wird nun in dem Arbeitsbereich zwischen 0 mm und xmax mm innerhalb des Messkerns 106 ein magnetisches Gleichfeld (bzw. ein magnetischer Gleichfluss) erzeugt, das permanent oder während des Betriebs des Sensors anliegt. Dieses Magnetfeld (bzw. dieser Magnetfluss) muss bezüglich des Feldes, welches durch den Ansteuerpermanentmagneten 104 in das Kernmaterial eingeprägt wird, gleichgerichtet sein.According to the invention is now in the working range between 0 mm and x max mm within the measuring core 106 generates a DC magnetic field (or DC magnetic flux) that is applied permanently or during operation of the sensor. This magnetic field (or magnetic flux) must be relative to the field generated by the drive permanent magnet 104 is embossed in the core material, to be rectified.

Generell gilt für den vorgegebenen Arbeitsbereich zwischen 0 mm und xmax mm der folgende Zusammenhang für die Einzeltransformatoren:

Figure 00070001
Figure 00080001
In general, the following relationship applies for the specified working range between 0 mm and x max mm for the individual transformers:
Figure 00070001
Figure 00080001

Weiterhin gilt: Θpri1 ~ npri1 (5) Θpri2 ~ npri2; (6) ΘIN = Θpri1 + Θpri2 (7) Furthermore: Θ pri1 ~ n pri1 (5) Θ pri2 ~ n pri2 ; (6) = IN = Θ pri1 + Θ pri2 (7)

Dabei gelten die folgenden Bezeichnungen:

npri:
Gesamtanzahl der Windungen der Primärwicklung
npri1:
Anzahl der Windungen, welche in Transformator 1 wirksam sind
npri2:
Anzahl der Windungen, welche in Transformator 2 wirksam sind
ü1:
Übersetzungsverhältnis Transformator 1
ü2:
Übersetzungsverhältnis Transformator 2
Θpri1:
eingeprägte Magnetische Spannung in Transformator 1
The following terms apply:
n pri :
Total number of turns of the primary winding
npri1 :
Number of turns, which are effective in transformer 1
n pri2 :
Number of turns, which are effective in transformer 2
ü 1 :
Gear ratio transformer 1
ü 2 :
Gear ratio transformer 2
Θ pri1 :
imprinted magnetic voltage in transformer 1

Die 5 und 6 zeigen magnetische Ersatzschaltbilder der Anordnung aus 1, die in jedem beliebigen Arbeitspunkt x gelten. Dabei bezeichnet ΘPM die magnetische Spannung, die durch den Ansteuermagneten 104 erzeugt wird. Diese ist umgekehrt proportional abhängig vom Abstand zwischen dem Ansteuermagneten 104 und dem Messkern 106. Weiterhin bedeutet Rmpri1 der magnetische Widerstand der Primärwicklung von Transformator 1 und Rmpri2 den magnetischen Widerstand der Primärwicklung von Transformator 2. Entsprechend bezeichnet Rmsec1 den magnetischen Widerstand der Sekundärwicklung des Transformators 1 bzw. Rmsec2 den magnetischen Widerstand der Sekundärwicklung von Transformator 2. Rm_saturation bezeichnet den magnetischen Widerstand des gesättigten Kernbereichs 112 und Rm_air bezeichnet den magnetischen Widerstand des Luftspalts gegebenenfalls zwischen dem Messkern 106 und einem wahlweise vorhandenen Rückschlusskern 115. Rm_air_to_PM bezeichnet den magnetischen Widerstand des Luftspalts zwischen dem Ansteuermagneten 104 und dem Messkern 106.The 5 and 6 show magnetic equivalent circuits of the arrangement 1 which apply at any operating point x. In this case Θ PM denotes the magnetic tension caused by the control magnet 104 is produced. This is inversely proportional depending on the distance between the drive magnet 104 and the measuring core 106 , Furthermore, R mpri1 means the magnetic resistance of the primary winding of transformer 1 and R mpri2 the magnetic resistance of the primary winding of transformer 2 , Similarly, R msec1 denotes the magnetic resistance of the secondary winding of the transformer 1 and R msec2 the magnetic resistance of the secondary winding of transformer 2. R m_saturation denotes the magnetic resistance of the saturated core region 112 and R m_air denotes the magnetic resistance of the air gap, if appropriate, between the measuring core 106 and an optional inference core 115 , R m_air_to_PM designates the magnetic resistance of the air gap between the drive magnet 104 and the measuring core 106 ,

Der magnetische Widerstand des Kernmaterials an sich kann vernachlässigt werden, da er um Größenordnungen kleiner ist als die übrigen magnetischen Widerstände und nur der magnetische Widerstand des gesättigten Kernbereichs Rm_saturation muss berücksichtigt werden.The magnetic resistance of the core material per se can be neglected because it is smaller by orders of magnitude than the other magnetic resistances and only the magnetic resistance of the saturated core region R m_saturation has to be considered.

Allgemein ist der magnetische Widerstand einer Zylinderspule definiert durch

Figure 00090001
und der magnetische Widerstand im Luftspalt kann angegeben werden durchGenerally, the magnetic resistance of a solenoid is defined by
Figure 00090001
and the magnetic resistance in the air gap can be indicated by

Figure 00090002
Figure 00090002

Weiterhin gilt, dass Rm_air, Rm_air_to_PM und Rm_saturation sehr viel größer sind als Rm_pri1, Rm_pri2, Rm_sek1 und Rm_sek2 sind. Da sich μ = dB / dH mit dem Arbeitspunkt ädert, gilt: μr = dB / dH/μ0 (10) Furthermore, R m_air , R m_air_to_PM and R m_saturation are much larger than R m_pri1 , R m_pri2 , R m_sek1 and R m_sek2 . That I μ = dB / dH With the working point, the following applies: μ r = dB / dH / μ 0 (10)

Da

Figure 00090003
ergibt sich, dass Rm_saturation dann ansteigt, wenn die Flussdichte bzw. Feldstärke an diesem Punkt erhöht wird (s. 2). Der magnetische Fluss Φ berechnet sich zu
Figure 00090004
There
Figure 00090003
shows that R m_saturation increases when the flux density or field strength is increased at this point (s. 2 ). The magnetic flux Φ is calculated to
Figure 00090004

5 zeigt speziell das magnetische Ersatzschaltbild eines PLCD-Sensors, bei dem in der Primärwicklung eine Wechselspannung oder ein Wechselstrom eingespeist wird, welcher im Messkern ein Wechselfeld bzw. einen Wechselfluss erzeugt. Es gelten die obigen Beziehungen (5)–(7), wobei Θpri1 die eingeprägte magnetische Spannung im Transformator 1 bezeichnet und Θpri2 die eingeprägte magnetische Spannung im Transformator 2. 5 shows in particular the magnetic equivalent circuit diagram of a PLCD sensor, in which an alternating voltage or an alternating current is fed into the primary winding, which generates an alternating field or an alternating flux in the measuring core. The relationships (5) - (7) above apply, where Θ pri1 denotes the impressed magnetic voltage in the transformer 1 and Θ pri2 denotes the impressed magnetic voltage in the transformer 2.

Analog zeigt 6 das magnetische Ersatzschaltbild eines sogenannten „Reverse PLCD-Sensors”, bei dem in der zweiten Wicklung 110 eine Wechselspannung oder ein Wechselstrom eingespeist wird, wodurch in dem Messkern 106 wiederum ein Wechselfeld bzw. ein Wechselfluss erzeugt wird. Dabei bedeutet Θsec1 die eingeprägte magnetische Spannung in Transformator 1 und Θsec2 die eingeprägte magnetische Spannung in Transformator 2. Es gilt: ΘIN = Θsek1 + Θsek2 (12) Analog shows 6 the magnetic equivalent circuit of a so-called "reverse PLCD sensor", in which in the second winding 110 an alternating voltage or an alternating current is fed, whereby in the measuring core 106 In turn, an alternating field or an alternating flux is generated. Where Θ sec1 is the impressed magnetic voltage in transformer 1 and Θ sec2 is the impressed magnetic voltage in transformer 2. The following applies: Θ IN = Θ sec1 + Θ sec2 (12)

Für eine elektrische Betrachtungsweise, wie sie in 7 schematisch dargestellt ist, benötigt man die nachfolgenden Abhängigkeiten zwischen Spannung und Flussdichte: Ueff = √2·π·B·A·f·n, (13) d. h. U ~ B·n.For an electrical view, as in 7 is shown schematically, one needs the following dependencies between voltage and flux density: U eff = √ 2 · Π · B · A · f · n, (13) ie U ~ B · n.

Für ein Gleichfeld gilt außerdem: B = μr·μ0·H = μr·μ0·I· n / l (14) For a dc field also applies: B = μ r · μ 0 · H = μ r · μ 0 · I · n / 1 (14)

Erfindungsgemäß wird nun das Kernmaterial des Messkerns 106 über einen dem Wechselfeld überlagertem Gleichanteil magnetisch vorgespannt. Dies kann zum einen durch das Einbringen eines Hilfspermanentmagneten in den magnetischen Kreis des Transformators erreicht werden. Verschiedene mögliche Anordnungen mit einem Hilfspermanentmagneten sollen nachfolgend mit Bezug auf die 8 bis 11 näher erläutert werden.According to the invention, the core material of the measuring core is now 106 magnetically biased by a direct component superimposed on the alternating field. This can be achieved by introducing an auxiliary permanent magnet into the magnetic circuit of the transformer. Various possible arrangements with an auxiliary permanent magnet are described below with reference to FIGS 8th to 11 be explained in more detail.

Gemäß einer ersten Ausführungsform, die in 8 gezeigt ist, sind zwei Hilfspermanentmagneten 116 außerhalb des Messkerns 106 und des Rückschlusskerns 114 angeordnet. Bei der Polarisierung der Hilfsmagneten 116 muss darauf geachtet werden, dass diese gleichsinnig zu dem Feld des Ansteuermagneten 104 wirkt. Zum anderen muss außerdem sichergestellt werden, dass der erzeugte Gleichanteil nicht bereits ohne Einwirkung des Ansteuermagneten zu einer Sättigung des Kerns führt. Generell genügt selbstverständlich auch nur ein einzelner Hilfsmagnet 116, um die entsprechende magnetische Vorspannung zu erzeugen.According to a first embodiment, the in 8th are shown are two auxiliary permanent magnets 116 outside the measuring core 106 and the inference core 114 arranged. In the polarization of the auxiliary magnets 116 Care must be taken that these are in the same direction as the field of the control magnet 104 acts. On the other hand, it must also be ensured that the DC component generated does not already lead to saturation of the core without the action of the control magnet. In general, of course, only a single auxiliary magnet is sufficient 116 to generate the corresponding magnetic bias.

Die in 8 gezeigte Anordnung außerhalb der beiden Kerne 106 und 114 hat den Vorteil, dass eine nachträgliche Ausrüstung bestehender Sensoranordnungen leicht möglich ist.In the 8th shown arrangement outside the two cores 106 and 114 has the advantage that retrofitting existing sensor arrangements is easily possible.

Eine kompaktere Bauweise kann erreicht werden, wenn, wie in 9 gezeigt, die Hilfsmagneten 116 in den Messkern 106 und/oder den Rückschlusskern 114 eingebettet werden.A more compact design can be achieved if, as in 9 shown the auxiliary magnets 116 in the measuring core 106 and / or the inference core 114 be embedded.

10 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei Hilfsmagnete 116 innerhalb der Anordnung Messkern 106 und Rückschlusskern 114 eingebaut sind, wobei die Hilfsmagnete den Messkern 106 und/oder den Rückschlusskern 114 auch unmittelbar berühren können. Hierzu kann, wie in 11 gezeigt, der Messkern 106 und/oder der Rückschlusskern 114 auch über die zweiten Wicklungen 110 hinaus entsprechend verlängert werden. 10 shows an embodiment in which two auxiliary magnets 116 within the array measuring core 106 and conclusion core 114 are installed, the auxiliary magnets the measuring core 106 and / or the Inference core 114 can also touch directly. For this, as in 11 shown, the measuring core 106 and / or the inference core 114 also over the second windings 110 be lengthened accordingly.

Bei allen gezeigten Anordnungen gemäß 8 bis 11 wird die Gesamtsättigung des Messkerns 106 permanent soweit angehoben, dass ein wesentlich kleinerer Ansteuermagnet 104 genügt, um die benötigte virtuelle Teilung des Messtransformators 100 in zwei Transformatoren zu erreichen. Obwohl für diese magnetische Vorspannung zusätzliche Hilfsmagnete 116 benötigt werden, ist insgesamt jedoch die Kostenersparnis gegenüber der bekannten Lösung mit einem einzigen größeren Ansteuermagneten 104 signifikant.In all arrangements shown in accordance with 8th to 11 becomes the total saturation of the measuring core 106 permanently raised so far that a much smaller driving magnet 104 is sufficient for the required virtual graduation of the measuring transformer 100 to reach in two transformers. Although for this magnetic bias additional auxiliary magnets 116 are needed, but overall the cost savings over the known solution with a single larger driving magnet 104 significant.

Weiterhin ist anzumerken, dass alle Ausführungsformen gemäß der 8 bis 11 auch untereinander beliebig kombiniert angewendet werden können.It should also be noted that all embodiments according to the 8th to 11 can also be used in any combination.

Alternativ oder zusätzlich zu der magnetischen Vorspannung mittels eines oder mehrerer Permanentmagneten 116 kann der erforderliche magnetische Gleichanteil auch ganz oder teilweise auf elektrischem Wege in die Messanordnung eingeprägt werden. Betrachtet man 12, in welcher der zeitliche Verlauf einer Wechselspannung bzw. eines Wechselstroms mit zusätzlichem Gleichanteil gezeigt ist, zusammen mit der Beziehung, wonach das in einer Spule erzeugte B-Feld unmittelbar proportional zum Effektivwert der erzeugenden Spannung ist, wird klar, dass auch durch das Einspeisen eines zusätzlichen elektrischen Gleichanteils ein entsprechender magnetischer Offset erreicht werden kann. Für eine solche Überlagerung des Wechselanteils mit einem Gleichstrom-Offset bzw. einem Gleichspannungs-Offset muss eine entsprechende elektronische Schaltung implementiert werden, an welche die PLCD-Einheit angeschlossen wird. Die Schaltung kann so ausgelegt werden, dass der Gleichanteil direkt mit dem Wechselanteil überlagert wird. Dies kann z. B. mit Hilfe einer Operationsverstärkerschaltung oder einer Transistorverstärkerschaltung realisiert werden. Durch Einspeisen des Gleichanteils in die als Primärwicklung fungierende erste Wicklung 108 der 1 kann daher erfindungsgemäß eine entsprechende überlagerte magnetische Vorspannung erreicht werden. Diese Lösung stellt aparativ die einfachste Variante dar und kann bei entsprechender Auslegung der Ansteuerelektronik auch für bereits bestehende PLCD-Sensoreinheiten problemlos verwendet werden.Alternatively or in addition to the magnetic bias by means of one or more permanent magnets 116 the required magnetic DC component can also be wholly or partially impressed by electrical means into the measuring arrangement. If you look at 12 , in which the time course of an alternating voltage or an alternating current with additional DC component is shown, together with the relationship, according to which the B field generated in a coil is directly proportional to the effective value of the generating voltage, it is clear that also by feeding a additional electrical DC component, a corresponding magnetic offset can be achieved. For such a superimposition of the alternating component with a DC offset or a DC offset, a corresponding electronic circuit must be implemented, to which the PLCD unit is connected. The circuit can be designed so that the DC component is superimposed directly with the AC component. This can be z. B. be realized by means of an operational amplifier circuit or a transistor amplifier circuit. By feeding the DC component in the acting as a primary winding first winding 108 of the 1 Therefore, according to the invention a corresponding superimposed magnetic bias can be achieved. This solution represents the simplest alternative aparativ and can be easily used for existing PLCD sensor units with appropriate design of the control electronics.

Für einen Reverse-PLCD, dessen Ersatzschaltbild in 6 gezeigt ist, gilt entsprechend umgekehrt, dass die zusätzliche Offsetspannung in die zweiten Wicklungen eingespeist wird.For a reverse PLCD, its equivalent circuit in 6 is shown in reverse, that the additional offset voltage is fed into the second windings.

Eine weitere Möglichkeit, einen magnetischen Gleichanteil in den Messkern 106 einzuprägen, besteht darin, eine dedizierte dritte Wicklung vorzusehen, die als Elektrohilfsmagnet wirkt und nachfolgend als Tertiärwicklung 118 bezeichnet wird. Die Tertiärwicklung 118 kann beispielsweise über den Messkern 106 gewickelt sein. Diese Ausführungsform ist in 13 dargestellt. Ein Gleichstromfluss IG durch die dritte Spule 118 erzeugt das schematisch dargestellte magnetische Gleichfeld BG, welches additiv dem Feld überlagert ist, das durch den Ansteuermagneten 104 verursacht wird.Another possibility, a magnetic DC component in the measuring core 106 to memorize is to provide a dedicated third winding which acts as an auxiliary electric magnet and subsequently as a tertiary winding 118 referred to as. The tertiary winding 118 can, for example, via the measuring core 106 be wrapped. This embodiment is in 13 shown. A DC current I G through the third coil 118 generates the schematically illustrated magnetic constant field B G , which is superimposed additively to the field, by the driving magnet 104 is caused.

Alternativ oder zusätzlich zu der an dem Messkern 106 vorgesehenen Tertiärspule 118 kann eine solche Tertiärspule auch an dem Rückschlusskern 114 vorgesehen sein, wie dies in 14 dargestellt ist. In jedem Fall muss für das Aufprägen des Gleichstroms IG durch die Tertiärspule eine entsprechende elektronische Schaltung implementiert werden, an welche die Tertiärspule 118 angeschlossen wird. Die Schaltung kann äußert einfach ausgelegt werden, beispielsweise kann eine Spannung am Eingang der Tertiärspule 118 vorgegeben werden, wobei ein Vorwiderstand optional vorgesehen sein kann, oder der Strom kann mittels einer Stromquelle eingespeist werden.Alternatively or in addition to that on the measuring core 106 provided tertiary coil 118 Such a tertiary coil can also be connected to the magnetic core 114 be provided, as in 14 is shown. In any case, for the impressing of the direct current I G by the tertiary coil, a corresponding electronic circuit must be implemented, to which the tertiary coil 118 is connected. The circuit can be designed extremely simple, for example, a voltage at the input of the tertiary coil 118 can be specified, with a series resistor may optionally be provided, or the current can be fed by means of a power source.

15 zeigt den Arbeitspunkt in einer Kennlinie, in der die Induktion als Funktion der Feldstärke angegeben ist. Eine erste Möglichkeit für die Lage des Arbeitspunktes ist mit dem Bezugszeichen 120 angegeben. Hier liegt der Arbeitspunkt so, dass die maximale magnetische Feldstärke, welche in dem PLCD-Sensor auftritt, im Endbereich des linearen Bereichs der Kennlinie 122 liegt. Dabei bezeichnet die Schwelle 124 das Ende des linearen Bereichs. Die Sättigung des Kernmaterials wird durch die Grenze 126 symbolisiert. 15 shows the operating point in a characteristic curve in which the induction is indicated as a function of the field strength. A first possibility for the position of the operating point is with the reference numeral 120 specified. Here, the operating point is such that the maximum magnetic field strength which occurs in the PLCD sensor is in the end region of the linear region of the characteristic curve 122 lies. This is the threshold 124 the end of the linear range. The saturation of the core material is through the limit 126 symbolizes.

Es lässt sich feststellen, dass bei Feldstärken, die über den Bereich 124 hinausgehen, Nicht-Linearitäten auftreten, welche die Messgenauigkeit einschränken können. Wertet man nun gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung nurmehr die negative Halbwelle des eingespeisten Wechselsignals aus, kann der Arbeitspunkt des Transformators noch weiter in Richtung der Sättigung 126 verschoben werden, so dass der Nulldurchgang des Wechselsignals bis in den Endbereich des linearen Bereichs verschoben werden kann. Dies ist durch den zweiten Arbeitspunkt 128 symbolisiert.It can be seen that at field strengths exceeding the range 124 go out, non-linearities occur, which can limit the measurement accuracy. If, according to an advantageous development of the present invention, only the negative half-wave of the fed-in alternating signal is evaluated, the operating point of the transformer can still increase in the direction of saturation 126 be shifted so that the zero crossing of the alternating signal can be moved to the end of the linear range. This is through the second operating point 128 symbolizes.

Die entsprechende Verschiebung des Arbeitspunktes geschieht, wie voranstehend beschrieben, durch die entsprechende Veränderung des Gleichfeldes BG. Definitionsgemäß ist die negative Halbwelle diejenige Halbwelle, die dem aufgeprägten Fluss BG entgegenwirkt. Wenn das eingespeiste Wechselsignal durch eine Sinusspannung bzw. einen Sinusstrom vorgegeben wird, ist bekannt, in welchem Betriebspunkt sich das System befindet. Mit Hilfe eines Mikrorechners, digitalen Signalprozessors und/oder Mikrocontrollers kann vorgegeben werden, nur die negativen Halbwellen der Messsignale der Sekundärspulen für die Berechnung des Sensorausgangssignals und damit eines Positionssignals zu verwenden. The corresponding shift of the operating point is done, as described above, by the corresponding change of the DC field B G. By definition, the negative half-wave is that half-wave which counteracts the impressed flow B G. If the supplied alternating signal is given by a sine voltage or a sine current, it is known in which operating point the system is located. With the help of a microcomputer, digital signal processor and / or microcontroller can be specified to use only the negative half-waves of the measurement signals of the secondary coils for the calculation of the sensor output signal and thus a position signal.

Voranstehend wurden Möglichkeiten aufgezeigt, wie ein magnetisches Gleichfeld eingeprägt werden kann, das dazu führt, dass der zur Erzeugung der Sättigung benötigte Ansteuermagnet 104 verkleinert werden kann. Je nach der speziellen Umsetzung, d. h. der Verwendung von Hilfsmagneten 116, dem Überlagern der eingespeisten Wechselspannung mit einem Gleichanteil, oder dem Einprägen eines Gleichanteils über eine dritte Spule 118, werden Zusatzkosten generiert. Die Kostenersparnis durch den miniaturisierten Ansteuermagneten 104 übertrifft diese Zusatzkosten jedoch signifikant.Possibilities have been outlined above of how to impress a DC magnetic field which results in the driving magnet required to produce the saturation 104 can be downsized. Depending on the specific implementation, ie the use of auxiliary magnets 116 , Overlaying the AC voltage fed with a DC component, or the impressing of a DC component via a third coil 118 , additional costs are generated. The cost savings through the miniaturized drive magnet 104 however, significantly exceeds these additional costs.

Das zusätzlich eingeprägte magnetische Gleichfeld BG interagiert mit dem Messtransformator aber nicht nur in der Weise, dass die Sättigung des Messkerns 106 bei geringeren Ansteuermagnetfeldstärken erreicht ist, sondern es wird auch den Feldlinien des Ansteuermagneten vektoriell additiv überlagert. Dadurch wird die maximale Feldstärke auf der x-Achse so verschoben, dass ein Offset zwischen dem gemessenen Mittelpunkt des Magneten und einer tatsächlichen Mittenposition erzeugt werden kann für den Fall, dass der Magnet 104 nicht mehr so ausgerichtet ist, dass eine Polarisationsachse entlang der Kernachse verläuft, sondern einen Winkel mit dieser einschließt.The additionally imprinted DC magnetic field B G interacts with the measuring transformer but not only in such a way that the saturation of the measuring core 106 is achieved at lower driving magnetic field strengths, but it is also the field lines of the driving magnet vectorially additive superimposed. As a result, the maximum field strength on the x-axis is shifted so that an offset can be generated between the measured center of the magnet and an actual center position in the event that the magnet 104 is no longer aligned so that a polarization axis runs along the core axis, but forms an angle with it.

Insbesondere kann der Ansteuermagnet 104 quer zu der Längsachse des Messkerns 106 ausgerichtet werden, wie dies in 16 dargestellt ist. In 16 wird die Variante aus 13 verwendet, bei der eine Tertiärwicklung 118 an dem Messkern 106 vorgesehen ist, um das entsprechende Gleichfeld BG zu erzeugen. Selbstverständlich können auch alle übrigen Möglichkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um einen entsprechenden Gleichanteil BG zu erzeugen.In particular, the drive magnet 104 transverse to the longitudinal axis of the measuring core 106 be aligned, as in 16 is shown. In 16 the variant turns off 13 used in which a tertiary winding 118 at the measuring core 106 is provided to generate the corresponding DC field B G. Of course, all other possibilities according to the present invention can also be used to produce a corresponding DC component B G.

Wie aus der Zusammenschau mit 17 erkennbar, resultiert aus der Superposition des Magnetfelds des Ansteuermagneten 104 und des Gleichfeldes BG eine Differenz xoffset zwischen der tatsächlichen Position 130 des Ansteuermagneten und der angezeigten Position 132 des Magneten 104.As from the synopsis with 17 recognizable results from the superposition of the magnetic field of the driving magnet 104 and the DC field B G a difference x offset between the actual position 130 of the driving magnet and the indicated position 132 of the magnet 104 ,

Dies ist ebenfalls gültig für den Fall, dass die Nord-Süd-Richtung des Ansteuermagneten 104 umgekehrt ist, wie dies in 18 gezeigt ist. Analog zu der Anordnung aus 16 und 17 ist hier die angezeigte Position 132 geometrisch in Richtung höherer x-Werte verschoben.This is also valid in the case of the north-south direction of the driving magnet 104 is reversed, as in 18 is shown. Analogous to the arrangement 16 and 17 Here is the displayed position 132 geometrically shifted in the direction of higher x-values.

Die Art der Verschiebung, die durch Superposition der beiden wirkenden Magnetfelder des Magneten 104 und des Gleichfeldes BG zustande kommt, hängt selbstverständlich vom Verlauf der Feldlinien und damit von der Form des Ansteuermagneten 104 ab. Die 19 und 20 zeigen zwei verschiedene Ansteuermagneten 104, wobei beide dieselbe Ausdehnung in x-Richtung haben. Zum unmittelbaren Vergleich sind beide Magnete in 21 übereinander gezeichnet. Die Lage des Messkerns 106 sowie des eingeprägten Gleichflusses BG ist schematisch an der linken Seite der 21 angedeutet.The type of displacement caused by superposition of the two magnetic fields of the magnet 104 and the DC field B G comes naturally depends on the course of the field lines and thus of the shape of the driving magnet 104 from. The 19 and 20 show two different control magnets 104 , both of which have the same extent in the x-direction. For immediate comparison, both magnets are in 21 drawn over each other. The position of the measuring core 106 as well as the impressed direct flow B G is schematically on the left side of 21 indicated.

Es konnte gezeigt werden, dass auf diese Art und Weise ein Versatz des Messbereichs um bis zu 21 mm möglich ist. Der Vorteil dieser speziellen Messbereichsverschiebung wird aus der Darstellung der 22 deutlich. Hier ist ein PLCD-Sensor 100 in einem Gehäuse oder einem sonstigen Anwendungsteil 134 so eingebaut, dass der gewünschte Messbereich 136 nicht mit der eigentlichen physikalischen Lage des Sensors 100 übereinstimmt. Vielmehr liegt ein geometrischer Versatz xoffset vor, der durch die erfindungsgemäßen Anordnungen gemäß 16 und 18 magnetisch kompensiert werden kann. Somit kann, basierend auf einer magnetischen Vorspannung durch Vorsehen eines im Optimalfall um 90° rotierten Ansteuermagneten 104, ein verschobener Messbereich erzeugt werden, der in der Lage ist, bestimmte nachteilige Einbausituationen auf einfache Weise zu kompensieren. Bezugszeichenliste: Bezugsziffer Beschreibung 100 Messtransformator 102 Elektronikmodul 104 Ansteuermagnet 106 Messkern 108 erste Wicklung 110 zweite Wicklung 112 gesättigter Bereich 114 Rückschlusskern 116 Hilfspermanentmagnet 118 Tertiärwicklung 120 erster Arbeitspunkt 122 Kennlinie 124 Ende des linearen Bereichs 126 Sättigung des Kernmaterials 128 zweiter Arbeitspunkt 130 tatsächliche Position des Magneten 104 132 angezeigte Position des Magneten 104 134 Gehäuse 136 gewünschter Messbereich It could be shown that in this way an offset of the measuring range by up to 21 mm is possible. The advantage of this special measuring range shift is shown in the illustration of the 22 clear. Here is a PLCD sensor 100 in a housing or other application part 134 installed so that the desired measuring range 136 not with the actual physical position of the sensor 100 matches. Rather, there is a geometric offset x offset , the by the inventive arrangements according to 16 and 18 can be compensated magnetically. Thus, based on a magnetic bias, by providing a drive magnet which is rotated by 90 ° in the optimum case 104 , a shifted measuring range can be generated which is able to easily compensate for certain disadvantageous installation situations. LIST OF REFERENCE NUMBERS numeral description 100 measuring transformer 102 electronic module 104 Ansteuermagnet 106 measuring core 108 first winding 110 second winding 112 saturated area 114 Inference core 116 Auxiliary permanent magnet 118 tertiary winding 120 first working point 122 curve 124 End of the linear range 126 Saturation of the core material 128 second operating point 130 actual position of the magnet 104 132 indicated position of the magnet 104 134 casing 136 desired measuring range

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 4425903 C2 [0002] DE 4425903 C2 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Erb O. et al.: „PLCD, a Novel Magnetic Displacement Sensor, Sensors and Actuators A, 25–27 (1991) S. 272 bis 282 [0002] Erb O. et al .: "PLCD, a Novel Magnetic Displacement Sensor, Sensors and Actuators A, 25-27 (1991) pp. 272 to 282 [0002]
  • „PLCD Wegsensoren für Industrie-Applikationen”, Tyco Electronics AMP GmbH, 2001, Internet: http://www.tycoelectronics.ch/_includes/pdf/ste/catalogs/1308198_0401_g_Sensoren-PLCD.pdf [0003] "PLCD Displacement Sensors for Industrial Applications", Tyco Electronics AMP GmbH, 2001, Internet: http://www.tycoelectronics.ch/_includes/pdf/ste/catalogs/1308198_0401_g_Sensoren-PLCD.pdf [0003]
  • „PLCD Wegsensoren für Industrie-Applikationen”, Tyco Electronics AMP GmbH, 2001, Internet: http://www.tycoelectronics.ch/_includes/pdf/ste/catalogs/1308198_0401_g_Sensoren-PLCD.pdf [0005] "PLCD Displacement Sensors for Industrial Applications", Tyco Electronics AMP GmbH, 2001, Internet: http://www.tycoelectronics.ch/_includes/pdf/ste/catalogs/1308198_0401_g_Sensoren-PLCD.pdf [0005]

Claims (13)

Berührungsloser Weggeber zum Erfassen der Position eines beweglichen Objektes, wobei der Weggeber umfasst: einen Messtransformator (100) mit einem langgestreckten ferromagnetischen Messkern (106) und einer ersten, langgestreckten Wicklung (108), welche auf den Messkern (106) gewickelt ist, mit einer zweiten, geteilten Wicklung (110), die in einem Endbereich des Messkerns (106) über die erste Wicklung (108) gewickelt ist, sowie mit einem Ansteuermagneten (104), welcher längs eines Verfahrwegs entlang einer Längsachse des Messkerns (106) beweglich ist, eine Ansteuer- und Auswerteschaltung (102) zum Ansteuern der Wicklungen (108, 110) und zum Ausgeben eines Messsignals in Abhängigkeit der Position des Ansteuermagneten (104), wobei der Weggeber weiterhin eine Magnetfeldverstärkungseinheit (116; 118) aufweist, die ein Magnetfeld (BG) erzeugt, das dem Magnetfeld des Ansteuermagneten (104) überlagert ist.A contactless position sensor for detecting the position of a moving object, the position sensor comprising: a measuring transformer ( 100 ) with an elongated ferromagnetic measuring core ( 106 ) and a first, elongate winding ( 108 ), which on the measuring core ( 106 ), with a second, split winding ( 110 ), which in an end region of the measuring core ( 106 ) over the first winding ( 108 ) is wound, as well as with a drive magnet ( 104 ), which along a travel path along a longitudinal axis of the measuring core ( 106 ) is movable, a control and evaluation circuit ( 102 ) for driving the windings ( 108 . 110 ) and for outputting a measurement signal as a function of the position of the drive magnet ( 104 ), wherein the displacement sensor further comprises a magnetic field amplification unit ( 116 ; 118 ) which generates a magnetic field (B G ) which corresponds to the magnetic field of the control magnet ( 104 ) is superimposed. Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 1, wobei die Magnetfeldverstärkungseinheit mindestens einen Hilfspermanentmagneten (116) umfasst.A non-contact encoder according to claim 1, wherein the magnetic field amplifying unit comprises at least one auxiliary permanent magnet ( 116 ). Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 2, wobei mindestens ein Hilfspermanentmagnet (116) in dem Messkern (106) eingebettet ist.A non-contact encoder according to claim 2, wherein at least one auxiliary permanent magnet ( 116 ) in the measuring core ( 106 ) is embedded. Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 2 oder 3, wobei mindestens ein Hilfspermanentmagnet (116) in dem magnetischen Kreis außerhalb des Messkerns (116) angeordnet ist.A non-contact encoder according to claim 2 or 3, wherein at least one auxiliary permanent magnet ( 116 ) in the magnetic circuit outside the measuring core ( 116 ) is arranged. Berührungsloser Weggeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Rückschlusskern (114) zum Führen mindestens eines Teils des magnetischen Feldes außerhalb des Messkerns (106).Contactless encoder according to one of the preceding claims, further comprising a return core ( 114 ) for guiding at least part of the magnetic field outside the measuring core ( 106 ). Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 5, wobei mindestens ein Hilfspermanentmagnet (116) in dem Rückschlusskern (114) eingebettet ist.A non-contact encoder according to claim 5, wherein at least one auxiliary permanent magnet ( 116 ) in the inference core ( 114 ) is embedded. Berührungsloser Weggeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetfeldverstärkungseinheit eine Gleichstromquelle aufweist, um mittels einer Wicklung das Magnetfeld (BG) zu erzeugen, das dem Magnetfeld des Ansteuermagneten (104) überlagert ist.Contactless position sensor according to one of the preceding claims, wherein the magnetic field amplification unit comprises a DC power source for generating by means of a winding the magnetic field (B G ) which corresponds to the magnetic field of the control magnet ( 104 ) is superimposed. Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 7, wobei die Gleichstromquelle mit der ersten (108) oder der zweiten (110) Wicklung verbunden ist, um das überlagerte Magnetfeld (BG) zu erzeugen.A non-contact encoder according to claim 7, wherein the DC power source is connected to the first ( 108 ) or the second ( 110 ) Winding is connected to generate the superimposed magnetic field (B G ). Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 7, wobei die Gleichstromquelle mit einer zusätzlichen dritten Wicklung (118) verbunden ist, um das überlagerte Magnetfeld (BG) zu erzeugen.A non-contact encoder according to claim 7, wherein the DC power source is provided with an additional third winding ( 118 ) to generate the superimposed magnetic field (B G ). Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 9, wobei die dritte Wicklung (118) auf dem Messkern (106) und/oder einem Rückschlusskern (114) angeordnet ist.A non-contact encoder according to claim 9, wherein the third winding ( 118 ) on the measuring core ( 106 ) and / or a return core ( 114 ) is arranged. Berührungsloser Weggeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ansteuermagnet (104) so ausgerichtet ist, dass seine Polarisierungsachse einen Winkel von mehr als 0° mit der Längsachse des Messkerns (106) einschließt.Contactless position sensor according to one of the preceding claims, wherein the control magnet ( 104 ) is oriented so that its polarization axis is at an angle of more than 0 ° with the longitudinal axis of the measuring core ( 106 ). Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 11, wobei die Polarisierung des Ansteuermagneten (104) so gerichtet ist, dass die Polarisationsachse senkrecht zu der Längsachse des Messkerns verläuft.Contactless position sensor according to claim 11, wherein the polarization of the drive magnet ( 104 ) is directed so that the polarization axis is perpendicular to the longitudinal axis of the measuring core. Berührungsloser Weggeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuer- und Auswerteschaltung (102) betrieben werden kann, nur die negative Halbwelle der Messsignale des Messtransformators (100) auszuwerten.Contactless position sensor according to one of the preceding claims, wherein the drive and evaluation circuit ( 102 ), only the negative half wave of the measurement signals of the measuring transformer ( 100 ).
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