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Die Erfindung betrifft einen magnetoresistiven Näherungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Magnetoresistive Näherungsschalter werden in der Automatisierungstechnik häufig zur Detektion von Objekten eingesetzt.
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Derartige Sensoren dienen u. a. zum Abtasten von Zahnradstrich- oder Nutenscheiben. Sie dienen außerdem zum Erfassen von Rotorumdrehungen bei Antriebsmaschinen oder zur Überwachung der Hubbewegung eines Kolbens.
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Man unterscheidet zwischen vorgespannten und nicht vorgespannten magnetoresistiven Näherungsschaltern.
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Bei vorgespannten magnetoresistiven Näherungsschalter ist neben einem magnetoresistiven Sensorelement (z.B. Hall-Element, AMR- bzw. GMR-Zelle) ein Permanentmagnet vorgesehen. Das magnetoresistive Sensorelement ist in der Regel direkt vor dem Permanentmagneten angeordnet. Es detektiert die Änderung des senkrechten Anteils der magnetischen Flussstärke in der Sensorebene, die durch das Target verursacht wird.
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Ein wesentlicher Nachteil dieser magnetoresistiven Näherungsschalter besteht darin, dass die Umgebungstemperatur einen Einfluss auf die Magnetfeldstärke hat. Da der Effekt der Temperaturänderung größer sein kann als der Targeteinfluss, müssen diese magnetoresistiven Näherungsschalter entweder bei konstanter Temperatur betrieben werden oder wenn Temperaturänderungen erfolgen eine Anpassung des Schaltpunktes durchgeführt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb einen magnetoresistiven Näherungsschalter anzugeben, der sehr temperaturstabil ist, der einen hohen Schaltabstand erlaubt, der sehr kompakt ist und der einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die wesentliche Idee der Erfindung ist es bei einem magnetoresistiven Näherungsschalter als magnetoresistives Sensorelement einen magnetischen Winkelsensor einzusetzen und die durch das Target verursachte Richtungsänderung des Magnetfelds auszuwerten. Der Einfluss einer Temperaturänderung hat so gut wie keinen Einfluss auf die Richtungsänderung des Magnetfelds, die durch das Target verursacht wird.
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In Vorteilhafterweise ist der magnetische Winkelsensor nicht vor dem Permanentmagneten sondern seitlich versetzt zu diesem angeordnet. Diese Anordnung erlaubt eine sehr hohe Empfindlichkeit und damit relativ hohe Schaltabstände.
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Als magnetischer Winkelsensor können zwei um 45° zueinander versetzte AMR-Sensoren, XMR-Sensoren oder Hall-Elemente dienen.
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In vorteilhafter Weise kann der magnetoresistive Näherungsschalter als M10-Näherungsschalter mit einem Metallgehäuse aus Edelstahl ausgeführt sein. Dadurch ist ein sehr kompakter Näherungsschalter gegeben, der auch bei hohen Druckbelastungen, wie sie im Hydraulikbereich vorkommen können, einsetzbar ist.
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Um relativ unempfindlich vom Einfluss des Erdmagnetfeldes und damit von der Einbaulage zu sein, ist im Gehäuse des Näherungsschalters eine Abschirmung vorgesehen z. B. ein ferromagnetischer Ring. Diese Abschirmung kann auch Einflüsse durch die Einbauumgebung (magnetische Materialien) verringern.
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Um Störungen durch das Erdmagnetfeld zu minimieren muss der Permanentmagnet ein ausreichend starkes Magnetfeld erzeugen.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 Blockschaltbild eines magnetoresistiven Näherungsschalter
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2 Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen magnetoresistiven Näherungsschalters
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3 Detaildarstellung eines erfindungsgemäßer magnetoresistiver Näherungsschalter nach 2
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4 erfindungsgemäßer magnetoresistiver Näherungsschalter mit einer Abschirmung
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5 Schmierstoffverteiler in schematischer Darstellung
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6 Schmierstoffverteilergehäuse mit eingeschraubten Adapter 203 in vergrößerter Darstellung.
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7 Schmierstoffverteiler in perspektivischer Darstellung.
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In 1 ist ein herkömmlicher magnetoresistiver Näherungsschalter 1 mit einer Stahlplatte als Target T dargestellt. Der magnetoresistive Näherungsschalter 1 weist als magnetoresistives Sensorelement eine GMR-Zelle auf, die mit einer Auswerteelektronik verbunden ist. Bei dem magnetoresistiven Näherungsschalter 1 handelt es sich um einen vorgespannten magnetoresistiven Näherungsschalter, deshalb ist ein Permanentmagnet M im Gehäuse des magnetoresistiven Näherungsschalters vorgesehen. Am Gehäuse G ist ein M12-Gewinde vorgesehen, das den Einbau zum Beispiel in einer Halteplatte mit einer M12-Gewindebohrung (nicht dargestellt) ermöglicht.
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Befindet sich ein Target T im Überwachungsbereich des magnetoresistiven Näherungsschalters 1, so ändert sich die Normalkomponente des Magnetfeldes am Ort der GMR-Zelle. Diese Änderung wird in der Auswerteelektronik AE ermittelt und wenn die Änderung einen gewissen Schwellwert übersteigt als Schaltsignal ausgegeben. Über die Schaltschwelle kann der Schaltabstand eingestellt werden.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßer magnetoresistiver Näherungsschalter dargestellt. Im Unterschied zu 1 ist das magnetoresistive Sensorelement SE (Hall-Element, AMR- bzw. GMR-Zelle) neben einem Permanentmagneten M angeordnet. Bei dem magnetoresistiven Sensorelement SE handelt es sich um einen magnetischen Winkelsensor. Das Sensorsignal wird ebenfalls in einer Auswerteeinheit AE ausgewertet und gegebenenfalls ein Schaltsignal ausgegeben.
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3 zeigt ein detaillierteres Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen resistiven Näherungsschalters gemäß 2. Bei dem Schalter handelt es sich um ein Dreileitergerät mit zwei Eingängen als Spannungsversorgung (12–36V) und einem Schaltausgang A. Die beiden Eingänge sind mit zwei Versorgungsleitungen L+ bzw. L– verbunden. Das Ausgangssignal OUT am Ausgang A wird mit Hilfe eines Transistors T erzeugt, der von einem Mikrocontroller µC angesteuert wird. Der Spannungsversorgung der einzelnen Komponenten des Näherungsschalters dient ein Spannungsregler SR. Das Sensorelement SE liefert zwei Ausgangssignale Sinus bzw. Kosinus die jeweils über einen Verstärker V und einen AD-Wandler A/D dem Mikrocontroller µC zugeführt wird. Aus dem Sinus- bzw. Kosinussignalanteil kann der Winkel α den das Magnetfeld B mit der Sensornormalen N des Sensorelements SE einnimmt ermittelt werden.
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Nachfolgend wird die Funktion des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Näherungsschalters 10 näher beschrieben.
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Befindet sich ein ferromagnetisches Target im Überwachungsbereich des Näherunsgschalters 10 so wird das Magnetfeld B insgesamt beeinflusst. Insbesondere ändert sich auch der Winkel α. Die Detektion des Targets T erfolgt bei dem erfindungsgemäßen magnetoresistiven Näherungschalters über die Winkeländerung δα. Übersteigt die Winkeländerung δα einen gewissen Schwellwert so befindet sich ein Target im Überwachungsbereich des Näherungschalters 10 und ein entsprechendes Schaltsignal wird über den Ausgang A ausgegeben. Der Ausgang A kann zum Beispiel mit einer SPS verbunden sein.
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Ein wesentlicher Vorteil der sich hieraus ergibt besteht darin, dass die vom Target verursachte Winkeländerung δα relativ unempfindlich gegenüber Temperatureinflüssen ist.
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Wie aus 3 ersichtlich ist das magnetoresistive Sensorelement versetzt zur Magnetfeldachse A angeordnet. Es hat sich gezeigt, dass diese Anordnung des magnetoresistiven Sensorelements SE eine hohe Empfindlichkeit zur Folge hat. Bei dieser Anordnung sind bei einem M10-Näherungsschalter mit Metallgehäuse Nennschaltabstände bei einem SC37 Normtarget von 15–20 mm möglich.
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Da das magnetoresistive Sensorelement SE eine sehr hohe Empfindlichkeit besitzt, kann unter Umständen sogar durch das Erdmagnetfeld eine Winkeländerung verursacht werden, die ein Schaltsignal erzeugt. Denkbar wäre den Einfluss des Erdmagnetfeldes durch einen Teach-Prozess zu eliminieren. Hierfür wäre entsprechende Bedientaste an dem Gehäuse des magnetoresistiven Näherungsschalters 10 notwendig, auf die aber verzichtet werden soll. Insbesondere im Hochdruckbereich (500 bar) sind solche Bedientasten am Gehäuse extrem störend. Um den Einfluss des Erdmagnetfelds bzw. den Einfluss ggf. durch eine magnetisierbare Einbauumgebung weitgehend auszuschalten ist eine magnetische Abschirmhülse AH vorgesehen (4). In vorteilhafter Weise besteht die Abschirmhülse aus einfachem Stahl ST37. Eine etwas teurere Variante wäre eine Abschirmung aus µ-Metall.
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Geschütz soll auch das entsprechende Auswerteverfahren gemäß Anspruch 9 sein.
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Das Verfahren zur Betreiben eines magnetoresistiven Näherungsschalters weist folgende Verfahrensschritte auf:
- a) Erzeugen eines Magnetfeldes in einem Überwachungsbereich
- b) erfassen des Magnetfeldwinkels mit einem magnetischen Winkelsensor
- c) Einbringen eines ferromagnetischen Targets in den Überwachungsbereich
- d) erfassen der Winkeländerung δα des Magnetfeldes, die durch das Target bewirkt wird
- e) Ausgabe eines Schaltsignals wenn die Winkeländerung einen Schwellwert übersteigt.
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Insbesondere bei Schmieranlagen werden häufig sogenannte Schmierstoffverteiler eingesetzt. In einem Verteilersegment bewegt sich ein Dosierkolben hin und her. Dabei wird eine definierte Menge Schmierstoff (Fett/Öl) in die entsprechende Zuführleitung gedrückt.
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Die Verteilerfunktion, kann optisch oder elektrisch über die Bewegung des Dosierkolbens überwacht werden. Da der Schmierstoff in dem Verteilersegment unter erheblichen Druck steht, sind sowohl für die optische Überwachung mit einem Anzeigestift wie auch für die elektrische Überwachung mittels eines Kolbensensors erhebliche Dichtungsanforderungen zu erfüllen. Die Drücke können bei Schmierstoffverteilern bei bis über 100 bar liegen.
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Die Endposition des Dosierkolbens kann z. B. durch einen induktiven Näherungsschalter als Kolbensensor erfasst werden. Dazu wird ein spezieller hochdruckfester Ganzmetall-Näherungsschalter in eine entsprechende Bohrung (z. B. M8/M12) des Verteilersegments eingeschraubt. Aufgrund des relativ geringen Schaltabstands der induktiven Ganzmetall Näherungsschalter muss die Kolbenendfläche der Stirnfläche des Näherungssensors in der Maximalstellung des Dosierkolbens relativ nahe kommen, damit ein Schaltsignal ausgelöst wird.
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Problematisch hierbei ist, dass wenn der Näherungsschalter ausgetauscht werden muss, es erforderlich ist, bei Schmierstoffverteiler diesen in einen drucklosen Zustand zu bringen. Dies erfordert in der Regel einen Stillstand der gesamten Anlage.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb außerdem ein Anordnung zur Erfassung der Kolbenposition in einem Schmierstoffverteiler anzugeben, die es erlaubt, den Kolbensensor im Betrieb auszutauschen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Adapter wie in Anspruch 10 angegeben.
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In 5 ist ein Schmierstoffverteiler 200 schematisch dargestellt. Der Schmierstoffverteiler 200 weist mehrere Dosierkolben 201 auf. Die Endlageposition der Dosierkolben 201 wird mit Kolbensensoren 202 erfasst. Auf der linken Figurenseite sind zwei herkömmliche Kolbensensoren 202a dargestellt. Dabei handelt es sich um hochdruckfeste Sensoren deren Frontseite direkt dem Hochdruck des Schmiermittels ausgesetzt ist.
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Auf der rechten Figurenseite sind zwei erfindungsgemäße Adapter 203 dargestellt, die in eine entsprechende Bohrung des Schmierstoffverteilergehäuses 210 eingeschraubt sind.
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Der Adapter 203 trennt den Hochdruckbereich im Innern des Schmierstoffverteilers vom Außenbereich im dem Umgebungsdruck herrscht. Er weist zwei Zylinderabschnitte auf. Ein erster Zylinderabschnitt weist ein Außengewinde auf. Dieser Abschnitt ist in das Gehäuse 210 des Schmierstoffverteilers eingeschraubt. Ein zweiter Zylinderabschnitt weist ein Innengewinde auf, in das der Kolbenpositionssensor eingeschraubt ist. Die beiden Zylinderabschnitte sind durch ein Trennwand, ca. 1.5 mm stark, getrennt. Der Dosierkolben 201 fährt bei seiner Hubbewegung in den ersten Zylinderabschnitt hinein.
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Bei dem Kolbensensor 202 handelt es sich in vorteilhafter Weise um einen erfindungsgemäßen magnetoresistiven Näherungsschalter, der auch durch die metallische Trennwand die Endposition des Dosierkolbens 201 sicher detektiert.
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Der Schaltabstand beträgt mit Adapter 203 bei einem M12 Sensor etwa 2–3 mm.
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Der Adapter 203 ist in vorteilhafter Weise aus Edelstahl.
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6 zeigt einen in ein Gehäuse 210 eingeschraubten Adapter 203 mit einem Kolbensensor 202 in vergrößerter Darstellung.
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7 zeigt einen Schmierstoffverteiler 200 mit mehreren Kolbensensoren 202 in perspektivischer Darstellung.
