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
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
Wie aus
Wie aus
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
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:
Mit Bezug auf die
Wie bereits erwähnt, basiert der Messeffekt des in
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
Um Verluste möglichst gering zu halten, kann weiterhin ein Rückschlusskern
Erfindungsgemäß wird nun in dem Arbeitsbereich zwischen 0 mm und xmax mm innerhalb des Messkerns
Generell gilt für den vorgegebenen Arbeitsbereich zwischen 0 mm und xmax mm der folgende Zusammenhang für die Einzeltransformatoren: In general, the following relationship applies for the specified working range between 0 mm and x max mm for the individual transformers:
Weiterhin gilt:
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
- 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
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 und der magnetische Widerstand im Luftspalt kann angegeben werden durchGenerally, the magnetic resistance of a solenoid is defined by and the magnetic resistance in the air gap can be indicated by
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
Daergibt sich, dass Rm_saturation dann ansteigt, wenn die Flussdichte bzw. Feldstärke an diesem Punkt erhöht wird (s.
Analog zeigt
Für eine elektrische Betrachtungsweise, wie sie in
Für ein Gleichfeld gilt außerdem:
Erfindungsgemäß wird nun das Kernmaterial des Messkerns
Gemäß einer ersten Ausführungsform, die in
Die in
Eine kompaktere Bauweise kann erreicht werden, wenn, wie in
Bei allen gezeigten Anordnungen gemäß
Weiterhin ist anzumerken, dass alle Ausführungsformen gemäß der
Alternativ oder zusätzlich zu der magnetischen Vorspannung mittels eines oder mehrerer Permanentmagneten
Für einen Reverse-PLCD, dessen Ersatzschaltbild in
Eine weitere Möglichkeit, einen magnetischen Gleichanteil in den Messkern
Alternativ oder zusätzlich zu der an dem Messkern
Es lässt sich feststellen, dass bei Feldstärken, die über den Bereich
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
Das zusätzlich eingeprägte magnetische Gleichfeld BG interagiert mit dem Messtransformator aber nicht nur in der Weise, dass die Sättigung des Messkerns
Insbesondere kann der Ansteuermagnet
Wie aus der Zusammenschau mit
Dies ist ebenfalls gültig für den Fall, dass die Nord-Süd-Richtung des Ansteuermagneten
Die Art der Verschiebung, die durch Superposition der beiden wirkenden Magnetfelder des Magneten
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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