DE102014116209A1

DE102014116209A1 - Prüfschaltung zum Prüfen eines magnetischen Sensorelements

Info

Publication number: DE102014116209A1
Application number: DE102014116209.9A
Authority: DE
Inventors: Steffen Klupsch; Ralf Burkard
Original assignee: IC Haus GmbH
Current assignee: IC Haus GmbH
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prüfschaltung zum Prüfen eines magnetischen Sensorelements (2) mit einer Stromquelle (3) zum Beaufschlagen des Sensorelements (2) mit einem Prüfstrom, mit einem Freilaufpfad (4) zum Ableiten des in dem Sensorelement (2) gespeicherten Speicherstroms nach dem Abschalten des Prüfstroms und mit einer den Speicherstrom erfassenden Messeinrichtung (5). Die Erfindung betrifft ferner eine Positionsmessvorrichtung zum Ermitteln von Winkel- oder Längenpositionen mit einem magnetischen Sensorelement (2) mit einer Prüfschaltung (1) sowie ein Verfahren zum Prüfen eines magnetischen Sensorelements (2) mit einer Prüfschaltung (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfschaltung zum Prüfen eines magnetischen Sensorelements mit einer Stromquelle zum Beaufschlagen des Sensorelements mit einem Prüfstrom. Die Erfindung betrifft ferner eine Positionsmessvorrichtung zum Ermitteln von Winkel- oder Längenpositionen mit einem magnetischen Sensorelement sowie ein Verfahren zum Prüfen eines magnetischen Sensorelements.
Positionsmessvorrichtungen finden in vielen Bereichen der Technik Anwendung und werden beispielsweise in der Industrie, in der Medizintechnik oder dergleichen zur Erfassung von Bewegungen verschiedenster Objekte verwendet. Die Positionsmessvorrichtungen können dabei rotatorische und/oder translatorische Bewegungen eines Objekts detektieren. Bei magnetischen Positionsmessvorrichtungen ist es bekannt, einen Erregermagneten, wie etwa einen Permanentmagneten, an dem Objekt anzuordnen, dessen Bewegung erfasst werden soll.
Zur Erfassung der Bewegung des Erregermagneten weist die Positionsmessvorrichtung ein Sensorelement auf. Ein solches Sensorelement kann dabei ein magnetisches Sensorelement wie ein Wiegand-Sensor und/oder ein Pulsdrahtsensor sein. Durch die Bewegung des Erregermagneten gegenüber dem Sensorelement findet in dem Sensorelement an einem bestimmten Punkt der magnetischen Feldstärke eine spontane Ummagnetisierung statt. Die Ummagnetisierung führt in dem Sensorelement zu einem Spannungsimpuls, welcher dann von einer entsprechenden Detektionsschaltung detektiert werden kann. Dieses Detektionssignal wird digital erfasst und gibt Aufschluss über den aktuellen Zustand der Positionsmessvorrichtung.
Eine solche magnetische Positionsmessvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2012 102 308 A1 bekannt. Bei der dort beschriebenen Positionsmessvorrichtung werden mittels der Detektionsschaltung Spannungsimpulse detektiert, ausgewertet und in einem Zähler gespeichert. Um Fehldetektionen vermeiden zu können, wird die Steilheit des Spannungsverlaufs der einzelnen Spannungsimpulse ausgewertet. Durch die Auswertung der Steilheit kann festgestellt werden, ob es sich bei dem Spannungsimpuls um einen vom Sensorelement verursachten Spannungsimpuls oder um einen Spannungsimpuls mit flachem Anstieg handelt, der dort als Störimpuls bezeichnet wird. Es wird dabei beschrieben, dass ein solcher Spannungsimpuls mit flachem Anstieg beispielsweise durch das Anlegen eines Prüfstroms an dem Sensorelement erzeugt werden kann.
Ein solcher Prüfstrom kann mittels einer Stromquelle erzeugt und in dem Sensorelement eingeprägt werden, um so den aktuellen Zustand der Positionsmessvorrichtung, beispielsweise nach einem Stillstand, ermitteln zu können. Denn durch den Prüfstrom kann ähnlich wie durch die Bewegung des Erregermagneten eine spontane Ummagnetisierung und somit ein auszuwertender regulärer Spannungsimpuls hervorgerufen werden.
Obschon die Prüfung des Sensorelements mittels eines Prüfstroms Vorteile durch die Ermittlung der Magnetisierung im Sensorelement bietet, können insbesondere beim Abschalten des Prüfstroms andere Störeinflüsse entstehen, welche die Positionsmessung beeinträchtigen können. Derartige Störeinflüsse können beliebige Steilheiten aufweisen und können mit der bekannten Auswertung der Steilheit nicht sicher von regulären Spannungsimpulsen unterschieden werden.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Prüfschaltung mit geringeren Störeinflüssen bereitzustellen.
Die Aufgabe wird bei einer Prüfschaltung der eingangs genannten Art durch eine Prüfschaltung mit einem Freilaufpfad zum Ableiten des im Sensorelement gespeicherten Speicherstroms nach dem Abschalten des Prüfstroms und mit einer den Speicherstrom erfassenden Messeinrichtung gelöst.
Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Prüfschaltung können die durch die Stromquelle hervorgerufenen Störeinflüsse verringert werden. Durch das Beaufschlagen eines Sensorelements mit einem Prüfstrom kann in dem Sensorelement eine spontane Ummagnetisierung hervorgerufen werden, mittels welcher sich der Zustand des Sensorelements überprüfen lässt. Der eingeprägte Prüfstrom kann dabei ein sich änderndes Magnetfeld erzeugen, welches die Ummagnetisierung und damit die Induktion eines Spannungsimpulses in dem Sensorelement hervorrufen kann. Aufgrund der Induktivität des Sensorelements kann in dem Sensorelement Energie gespeichert sein, beispielsweise in Form eines Speicherstroms. Dieser Speicherstrom kann mittels der erfindungsgemäßen Prüfschaltung überwacht und abgebaut werden. So kann das Sensorelement in einen definierten Zustand mit bekannter Magnetisierung überführt werden.
Nach dem Abschalten des Prüfstroms kann über den Freilaufpfad der in dem Sensorelement gespeicherte Speicherstrom abgeleitet werden. Die eventuell verbleibende Energie in dem Sensorelement kann so auf einfache Art und Weise abgebaut werden. Eventuelle Parameterschwankungen des Sensorelements sind dabei vernachlässigbar und führen nicht zu einer negativen Beeinflussung des Messergebnisses der Positionsmessvorrichtung.
Mit einer den Speicherstrom erfassenden Messeinrichtung kann der Stromfluss des Speicherstroms aus dem Sensorelement überwacht werden. Auf diese Weise kann der Zeitpunkt festgestellt werden, an welchem die Energie aus dem Sensorelement ausreichend abgebaut ist. Die so gewonnenen Informationen können Aufschluss über den Zustand des Sensorelements liefern, so dass Fehldetektionen von Spannungsimpulsen sowie andere Störungen reduziert werden können. Bevorzugt kann mittels der Messeinrichtung ein Schaltzeitpunkt definiert werden, an welchem die Stromquelle und die Messeinrichtung von dem Sensorelement getrennt werden können.
Hierzu ist es vorteilhaft, wenn bei der Prüfschaltung mindestens ein Schalter zur Abtrennung der Stromquelle und der Messeinrichtung vorgesehen ist. Über den Schalter kann die Prüfschaltung von den restlichen Elementen der Positionsmessvorrichtung abgetrennt werden, um Störeinflüsse zu verringern. Der Schalter kann zwischen dem Sensorelement und zwischen den weiteren Elementen der Prüfschaltung angeordnet sein. Alternativ kann der Schalter auch zwischen dem Freilaufpfad und den weiteren Elementen der Prüfschaltung angeordnet sein. Bevorzugt sind jedoch mindestens zwei Schalter, welche beidseitig des Sensorelementes angeordnet sein können. Bevorzugt können die Stromquelle und die Messeinrichtung von den restlichen Elementen der Positionsmessvorrichtung zu dem Zeitpunkt abgetrennt werden, an dem der Speicherstrom einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Abtrennung zum Zeitpunkt erfolgt, an dem der Speicherstrom einen Nulldurchgang aufweist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Freilaufpfad eine Freilaufdiode aufweist, welche insbesondere in Sperrrichtung geschaltet sein kann. über die Freilaufdiode im Freilaufpfad kann erreicht werden, dass die in dem Sensorelement gespeicherte Energie nach dem Abschalten der Stromquelle abgebaut werden kann. Sie kann ebenfalls als Schutz vor einer Überspannung dienen. Durch den Betrieb in Sperrrichtung kann der durch die Selbstinduktion des Sensorelements erzeugte Stromfluss des Speicherstroms über die Freilaufdiode in der ursprünglichen Richtung weiterfließen, ohne dass Spannungsspitzen erzeugt werden, welche zu Fehldetektionen von Spannungsimpulsen führen könnten. Mit einer Freilaufdiode können etwaige Spannungsspitzen auf die Durchlassspannung der Freilaufdiode begrenzt werden und der Stromfluss sicher und ohne Beeinflussungen des Messergebnisses abgeleitet werden. Alternativ kann anstelle einer Freilaufdiode auch eine Zenerdiode, ein Varistor oder eine aktive Schaltung verwendet werden.
In diesem Zusammenhang ist es ferner von Vorteil, wenn der Freilaufpfad dem Sensorelement und/oder der Stromquelle parallel geschaltet ist. Durch eine Parallelschaltung des Freilaufpfades kann erreicht werden, dass der Stromfluss des Speicherstroms aus dem Sensorelement über den Freilaufpfad abgeleitet wird. Durch das Abschalten des Prüfstroms kann sich die Umkehr der Polarität der Selbstinduktionsspannung ergeben, wobei durch die Parallelschaltung der Speicherstrom über den dann durchlässigen Freilaufpfad abgeleitet werden kann.
Es ist des Weiteren bevorzugt, wenn die Messeinrichtung als Strommesseinrichtung ausgebildet und in Reihe mit dem Sensorelement geschaltet ist. Durch eine als Strommesseinrichtung ausgebildete Messeinrichtung kann der Stromfluss des in dem Sensorelement gespeicherten Speicherstroms nach Abschalten des Prüfstroms überwacht werden. Durch die Reihenschaltung mit dem Sensorelement kann erreicht werden, dass der Speicherstrom über die Strommesseinrichtung fließt. Mit Hilfe der Messeinrichtung kann der Zeitpunkt detektiert werden, an welchem der Stromfluss des Speicherstroms aus dem Sensorelement ausreichend abgebaut wurde, um so einen geeigneten Schaltzeitpunkt zum Öffnen des Schalters festlegen zu können. Etwaige Störungen wie Oszillationen können somit verringert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Messeinrichtung auch als Spannungsmesseinrichtung ausgebildet sein und dem Sensorelement parallel geschaltet werden. In diesem Fall findet keine direkte Strommessung des in dem Sensorelement gespeicherten Speicherstroms statt, sondern eine indirekte Strommessung über den Abgriff der Spannung beispielsweise über dem Sensorelement. Der entsprechende Speicherstrom kann dann in der Messeinrichtung bestimmt werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass nicht zwangsläufig eine direkte Strommessung erforderlich ist, sondern auch Spannungsmesseinrichtungen Verwendung finden können. Hierdurch kann eine Vielzahl verschiedener Messeinrichtungen zur Anwendung kommen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung verläuft der Prüfstrom der Stromquelle rampenförmig. Bevorzugt ist dabei, dass die Stromrampe des Prüfstroms insgesamt dreiecksförmig mit einer steigenden und einer fallenden Flanke verläuft. Durch den rampenförmigen Verlauf kann das in dem Sensorelement hervorgerufene Magnetfeld beeinflusst werden. Der eingeprägte Strom kann dabei entsprechend der eingestellten Rampenform auf- und wieder abgebaut werden, was sich wiederum in dem Auf- und Abbau des erzeugten Magnetfeldes widergespiegelt.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Flanken des rampenförmigen Stromverlaufs der Stromquelle einstellbar sind. Auf diese Weise ist der eingeprägte Strom entsprechend den Parametern des Sensorelementes einstellbar. Der eingeprägte Strom kann dabei in vorteilhafter Weise entsprechend einer programmierbaren Slewrate auf- und wieder abgebaut werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der eingeprägte Strom nicht zu schnell reduziert wird, was zu unerwünschten Störungen oder Oszillationen führen kann. Die Flanken des Stromverlaufs können bevorzugt entsprechend der Selbstentladung des Sensorelementes eingestellt werden, so dass am Ende der Stromrampe möglichst wenig Energie in dem Sensorelement gespeichert ist. Die Induktivität und der ohmsche Widerstand des Sensorelements können dabei die Wahl der Flankensteilheit beeinflussen. Hierdurch kann die Anwendbarkeit von verschiedensten Sensorelementen realisiert werden.
Bei einer Positionsmessvorrichtung der eingangs erwähnten Art wird die Aufgabe derart gelöst, dass die Positionsmessvorrichtung eine Prüfschaltung der bereits beschriebenen Art aufweist. Hierbei ergeben sich dieselben Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Prüfschaltung beschrieben wurden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Positionsmessvorrichtung sieht vor, dass das Sensorelement ein Hystereseelement, insbesondere einen Wiegand-Draht oder einen Impulsdraht, und eine um das Hystereseelement gewickelte Induktionsspule aufweist. Durch die Kombination der beiden Elemente kann ein magnetisches Sensorelement zur Verfügung gestellt werden, welches die Bewegung eines Erregermagneten in ein Detektionssignal umwandeln kann.
Ein Hystereseelement im Sinne der Erfindung ist dabei ein Element, welches eine magnetische Hysteresekurve nach Art eines ferromagnetischen Materials aufweist. Bevorzugt werden solche Hystereseelemente verwendet, in welchen sich aufgrund einer Form oder Kristallanisotropie nur ein einziger Weißscher Bezirk, also eine einzige magnetische Domäne, ausbilden kann. Derartige Hystereseelemente weisen bevorzugt eine nahezu rechteckig ausgebildete Hysteresekurve auf. Das Hystereseelement kann durch das Magnetfeld des sich bewegenden Erregermagneten spontan ummagnetisiert werden, wobei es erforderlich ist, dass das Magnetfeld des Erregermagneten die Koerzitivfeldstärke des Hystereseelements überschreitet. Bei einem Hystereseelement mit einer nahezu rechteckigen Hysteresekurve erfolgt die Ummagnetisierung schlagartig und somit unabhängig von der Änderungsgeschwindigkeit des Magnetfelds des Erregermagneten.
Das Hystereseelement kann vorteilhafterweise magnetisch mit der Induktionsspule gekoppelt werden, in welcher beim Ummagnetisieren des Hystereseelements ein Spannungsimpuls induziert werden kann. Durch das Herumwickeln der Induktionsspule um das Hystereseelement kann eine gute magnetische Kopplung erreicht werden.
Der Vorteil von Wiegand-Sensoren und/oder Impulsdrahtsensoren als magnetisches Sensorelement ist der, dass diese eine Hysteresekurve aufweisen können, welche zwei ausgeprägte Sprungstellen aufweist, an welcher eine spontane Ummagnetisierung stattfinden kann. So können auf einfache Art und Weise definierte Spannungsimpulse in der Induktionsspule induziert werden. Die Größe und Form der Spannungsimpulse ist dabei nicht von der zeitlichen Änderung des Magnetfeldes abhängig.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht weiter vor, dass die Positionsmessvorrichtung eine Detektionsschaltung zur Detektion von in dem Sensorelement erzeugten Spannungsimpulsen aufweist. Mit einer solchen Detektionsschaltung können die in dem Sensorelement induzierten Spannungsimpulse detektiert und weiter verarbeitet werden. So können die detektierten Spannungsimpulse als Zählimpulse der Positionsmessvorrichtung dienen. Diese geben Auskunft über den aktuellen Zählerstand der Positionsmessvorrichtung.
Bevorzugt ist ferner, wenn das Sensorelement durch einen gegenüber dem Sensorelement bewegbaren Erregermagneten ummagnetisierbar ist. Durch die Ummagnetisierung können Spannungsimpulse in der Induktionsspule des Sensorelementes induziert werden. Durch die Ummagnetisierung wird ein Spannungsimpuls erzeugt, welcher dann detektiert werden kann, so dass ein Zählvorgang ausgelöst werden kann. Der Zählerwert der Positionsmessvorrichtung kann dabei verändert werden und in einen Speicher der Positionsmessvorrichtung geschrieben wird. Der Zählerwert kann dann von einem Anwender ausgelesen werden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Prüfschaltung und/oder die Detektionsschaltung als integrierte Schaltungen und insbesondere als eine gemeinsame integrierte Schaltung ausgebildet sind. Durch die Ausführung als integrierte Schaltung lässt sich die Baugröße einer Positionsmessvorrichtung verringern, wobei es von besonderem Vorteil ist, wenn die Prüfschaltung und/oder die Detektionsschaltung als gemeinsame integrierte Schaltung ausgebildet sind, wodurch sich eine nochmalige Verringerung der Baugröße gegenüber Einzelelementen erzielen lässt. Bei einer integrierten Ausführung der Schaltung kann durch die Verkleinerung parasitärer Elemente und Verkopplungen die Energieeffizienz erhöht werden.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der in dem Sensorelement gespeicherte Speicherstrom nach dem Abschalten des Prüfstroms über einen Freilaufpfad abgeleitet und mittels einer Messeinrichtung erfasst wird. Auch hier ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der Prüfschaltung und der Positionsmessvorrichtung beschriebenen Vorteile.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Prüfschaltung von dem Sensorelement getrennt wird, nachdem der Speicherstrom einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet. Der Schwellenwert kann dabei in Abhängigkeit der Selbstentladung des Sensorelementes sowie von den Eigenschaften des Freilaufpfads gewählt werden. Durch die Abtrennung der Prüfschaltung von dem Sensorelement an einem vorgegebenen Schwellenwert kann sichergestellt werden, dass die in dem Sensorelement gespeicherte Energie vollständig über den Freilaufpfad abgebaut werden kann. Das Sensorelement weist dann einen definierten Zustand auf, von welchem ausgehend eine Zählung der einzelnen Spannungsimpulse durchgeführt werden kann.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn eine Detektionsschaltung mit dem Sensorelement verbunden wird, nachdem die Prüfschaltung vom Sensorelement getrennt wurde. Da das Sensorelement zum Zeitpunkt der Abtrennung einen definierten Zustand aufweist, kann das Sensorelement mit einer Detektionsschaltung zur Detektion von Spannungsimpulsen als Zählimpulsen verbunden werden, ohne dass Fehldetektionen auftreten. Die Detektionsschaltung verfügt über die erforderlichen Komponenten, mit welchen die Spannungsimpulse detektiert, weiterverarbeitet und darstellt werden können. Mögliche Fehldetektionen, welche durch Störungen wie Oszillationen hervorgerufen werden, können so auf einfache Art und Weise vermieden werden.
Es ist weiter von Vorteil, wenn das Sensorelement mit einem rampenförmigen insbesondere einstellbaren Prüfstrom der Stromquelle beaufschlagt wird. Durch den einstellbaren Prüfstrom kann ein variables Magnetfeld erzeugt werden, welches beispielsweise zu Test- und/oder Synchronisationszwecken der Positionsmessvorrichtung eine spontane Ummagnetisierung hervorrufen kann. Durch die spontane Ummagnetisierung kann der Zustand der Positionsmessvorrichtung festgestellt werden. Hierbei ist es bevorzugt, wenn der Stromverlauf des Prüfstroms rampenförmig in Form eines Dreiecks mit einer steigenden und einer fallenden Flanke auf- und abgebaut wird, wodurch sich Oszillationen vermeiden lassen. Die Rampenform des Prüfstroms ist dabei einstellbar, wobei insbesondere die Parameter des Sensorelements wie die Induktivität und der Widerstand als Grundlage dienen können.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass mittels des Sensorelements die für die Prüfschaltung und/oder die Detektionsschaltung benötigte Energie erzeugt wird. Das Sensorelement kann hierzu Teil einer sogenannten „Energy Harvesting”-Anwendung sein. Die in der Induktionsspule des Sensorelements erzeugten Spannungsimpulse liefern dabei ausreichend Energie, insbesondere für die Signalverarbeitung.
Die vorstehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung können in gleicher Weise sowohl bei der Prüfschaltung als auch bei der Positionsmessvorrichtung und dem entsprechenden Verfahren zum Betrieb einer Prüfschaltung Verwendung finden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten sollen nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Hierin zeigt:
1 eine schematisches Blockschaltbild einer Positionsmessvorrichtung,
2 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten Ausgestaltung einer Prüfschaltung mit Sensorelement,
3 ein schematisches Blockschaltbild einer zweiten Ausgestaltung einer Prüfschaltung,
4 ein schematisches Blockschaltbild einer dritten Ausgestaltung einer Prüfschaltung,
5 ein schematisches Blockschaltbild einer vierten Ausgestaltung einer Prüfschaltung,
6 eine schematische Darstellung einer Stromrampe,
7 eine schematische Darstellung eines exemplarischen Spannungsverlaufs ohne Störungen,
8 eine schematische Darstellung eines exemplarischen Spannungsverlaufs mit Störungen und
9 eine schematische Darstellung eines exemplarischen Spannungsverlaufs mit Prüfschaltung.
In der 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung 9 dargestellt, in welcher die erfindungsgemäße Prüfschaltung 1 zum Prüfen eines magnetischen Sensorelements 2 verwendet wird.
Die Positionsmessvorrichtung 9 kann zum Ermitteln von Winkel- oder Längenpositionen genutzt werden, um dort rotatorische und/oder translatorische Bewegungen von Objekten erfassen zu können. Solche Positionsvorrichtungen 9 weisen zur Detektion dieser Bewegungen ein magnetisches Sensorelement 2 sowie eine Detektionsschaltung 10 auf. Mit der Detektionsschaltung 10 können dabei im Sensorelement 2 induzierte Spannungsimpulse detektiert und anschließend ausgewertet, gezählt und dargestellt werden.
Bei Detektion eines Spannungsimpulses wird durch die Detektionsschaltung 10 ein Impulsdetektionssignal erzeugt, welches einem vorzugsweise als Speicher ausgebildeten Zähler der Detektionsschaltung 10 zugeführt werden kann. Mittels des Zählers kann die Anzahl der detektierten Spannungsimpulse gezählt werden. Der Zähler kann dann über eine Ausgangsschaltung von einem Anwender ausgelesen werden, so dass dieser Aufschluss über den aktuellen Zustand der Positionsmessvorrichtung 9 erhalten kann.
Neben der Detektionsschaltung 10 und dem Sensorelement 2 ist bei der Positionsmessvorrichtung 9 ein Erregermagnet 12 vorgesehen, welcher als Permanentmagnet ausgebildet sein kann. Der Erregermagnet 12 wird, um die Bewegung eines nicht dargestellten Objektes feststellen zu können, an dem Objekt selbst angeordnet und bewegt sich so mit dem Objekt mit. Der Erregermagnet 12 kann dabei um eine Drehachse gelagert sein.
In direkter Nähe zu dem Erregermagneten 12 ist das Sensorelement 2 angeordnet, in welchem die Bewegungen des Erregermagneten 12 Spannungsimpulse hervorrufen kann, welche dann wiederum mittels der Detektionsschaltung 10 in ein digitales Signal umgewandelt werden können. Bei dem Sensorelement 2 handelt es sich um ein magnetisches, insbesondere ferromagnetisches, Sensorelement 2. Das Sensorelement 2 besteht dabei im Wesentlichen aus einem Hystereseelement 7 und einer Induktionsspule 8.
Das Hystereseelement 7 ist durch die Drehbewegung des Erregermagneten 12 alternierend ummagnetisierbar. Das magnetische Hystereseelement 7 kann beispielsweise als Wiegand-Draht oder als Impulsdraht ausgebildet sein, welcher von dem magnetischen Feld des Erregermagneten 12 durchsetzt wird. Solche Hystereseelemente 7 weisen den Vorteil auf, dass sie eine nahezu rechteckig ausgebildete Hysteresekurve aufweisen, wodurch sich zwei ausgeprägte Sprungstellen ergeben. Beim Überschreiten der Koerzitivfeldstärke des Hystereseelements 7 kommt es zu der schlagartigen Ummagnetisierung des Hystereseelements 7, welche in der Induktionsspule 8 Spannungsimpulse generiert, welche dann mittels der Detektionsschaltung 10 digital erfassbar sind. Bei der Positionsmessvorrichtung 9 des Ausführungsbeispiels erfolgt die Ummagnetisierung bei jeder halben Drehung des Erregermagneten 12. So kann beispielsweise mit einem rotierenden Diametralmagneten 12 ein sich alle 180° wiederholender Spannungsimpuls erzeugt werden.
Der zweite Bestandteil des Sensorelementes 2 ist eine um das Hystereseelement 7 gewickelte Induktionsspule 8. Durch die Ummagnetisierung des Hystereseelements 7 wird in der Induktionsspule 8 ein Spannungsimpuls induziert, welcher mittels einer Detektionsschaltung 10 detektiert und verarbeitet werden kann. Das Hystereseelement 7 und die Induktionsspule 8 sind dabei derart angeordnet, dass eine gute magnetische Kopplung zwischen den beiden Elementen 7, 8 erreicht wird.
Wie der Darstellung in der 1 weiter zu entnehmen ist, kann das Sensorelement 2 an den Anschlusspunkten 11 mit der erfindungsgemäßen Prüfschaltung 1 zum Prüfen des magnetischen Sensorelements 2 und/oder mit der Detektionsschaltung 10, mittels welcher die in der Induktionsspule 8 erzeugten Spannungsimpulse detektiert und gezählt werden können, verbunden werden. Die Detektionsschaltung 10 detektiert dabei den Zustand der Magnetisierung des Sensorelements 2.
Mit der Prüfschaltung 1 kann der Zustand des magnetischen Sensorelementes 2 beispielsweise zu Test- oder Synchronisationszwecken überprüft werden. Eine solche Überprüfung ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn das Objekt und damit der Erregermagnet 12 stillgestanden hat und wieder angefahren werden soll. Dies wird im Allgemeinen als Power On bezeichnet. Eine dauerhafte Überprüfung des Zustands des Sensorelements 2 ist allerdings nicht sinnvoll, weshalb die Prüfschaltung 1 nach der erfolgten Prüfung des Sensorelements 2 von diesem abgetrennt werden kann.
Um die Prüfung durchzuführen, wird das Sensorelement 2 mit einem mittels einer Stromquelle 3 erzeugten Prüfstrom beaufschlagt. Durch den eingeprägten Prüfstrom wird ein veränderliches Magnetfeld erzeugt, welches ähnlich wie der Erregermagnet 12 eine spontane Ummagnetisierung im Sensorelement 2 hervorrufen kann. Das ferromagnetische Hystereseelement 7 kann somit gezielt ummagnetisiert werden, wobei mittels des Prüfstroms ein geeignetes Magnetfeld auch in Kombination mit dem externen Feld des beweglichen Erregermagneten 12 erzeugt wird.
Der von der Stromquelle 3 erzeugte Prüfstrom verläuft dabei vorzugsweise rampenförmig, wobei die Flanken entsprechend den Testbedingungen einstellbar sind. Ein beispielhafter Verlauf einer solchen „Stromrampe” ist in 6 dargestellt. Dort ist der Stromverlauf I(t) über der Zeit aufgetragen. Wie dies der Darstellung zu entnehmen ist, weist die Stromrampe dabei einen etwa dreiecksförmigen Verlauf mit einer steigenden und einer fallenden Flanke auf.
Durch einen rampenförmigen Verlauf des Prüfstroms kann in der Induktionsspule 8 ein veränderliches Magnetfeld auf- und wieder abgebaut werden, welches einen Spannungsimpuls in der Induktionsspule 8 des Sensorelements 2 erzeugt. Der eingeprägte Prüfstrom wird dabei entsprechend einer programmierbaren Slewrate auf- und wieder abgebaut, so dass es zu einer strominduzierten Magnetfeldänderung kommt. Das Magnetfeld soll dabei so aufgebaut werden, dass keine Störungen auftreten. Dies lässt sich durch die Wahl der Flankensteilheit des Prüfstroms realisieren. Ein solcher beispielhafter Spannungsverlauf ohne Störungen ist in der 7 dargestellt, wobei die dargestellte Spannung über dem Sensorelement 2 abgegriffen wurde. Die Höhen der Sprungstellen ergeben sich dabei durch die endliche Güte der Induktionsspule 8.
Falls der eingeprägte Prüfstrom schneller reduziert wird als die Selbstentladung der Induktionsspule 8 dies zulässt, ist in der Induktionsspule 8 am Ende des Prüfzyklus noch Restenergie beispielsweise in Form eines Speicherstroms im Sensorelement 2 gespeichert. Dieser Speicherstrom fließt dann nach dem Abschalten des Prüfstroms aus dem Sensorelement 2 heraus und führt zu unerwünschten Störungen wie beispielsweise Oszillationen. Ein exemplarischer Spannungsverlauf, bei welchem diese Störungen in Form von Oszillationen auftreten, ist in der 8 dargestellt. Der Punkt A entspricht dabei dem Zeitpunkt an dem die Stromrampe endet.
Die Selbstentladung des Sensorelementes 2 wird dabei über die Induktivität und den ohmschen Widerstand bestimmt. Bei bisherigen Anwendungen wurden die magnetischen Sensorelemente 2 daher an die vorgegebenen bzw. parametrisch eingestellten Stromrampen des Prüfstroms angepasst, um die unerwünschten Störungen im Zusammenhang mit der in dem Sensorelement 2 verbleibenden Restenergie zu minimieren. Hierdurch werden allerdings die Verwendbarkeit verfügbarer Spulenausführungen sowie die Wahl der Windungsanzahl und/oder die Wahl der Induktivität und des ohmschen Widerstandes sowie der Temperaturbereich stark eingeschränkt. So kann sich beispielsweise bei einer Induktionsspule 8 aus Kupferdraht der ohmsche Widerstand im Temperaturbereich von –40° bis +125° um ca. 60% ändern.
Um nun den Anwendungsbereich für verschiedene Sensorelemente 2 und erweiterte Temperaturbereiche zu erschließen, ohne dass die unerwünschten Störungen und die damit verbundenen Fehldetektionen auftreten, ist bei der erfindungsgemäßen Prüfschaltung 1 ein Freilaufpfad 4 zum Ableiten des in dem Sensorelement 2 gespeicherten Speicherstroms nach dem Abschalten des Prüfstroms sowie eine den Speicherstrom erfassende Messeinrichtung 5 vorgesehen. Der Freilaufpfad 4 dient dem Ableiten des induktiven Speicherstroms.
Der Freilaufpfad 4 weist eine insbesondere in Sperrrichtung geschaltete Freilaufdiode 6 auf, welche dem Sensorelement 2 und/oder der Stromquelle 3 parallel geschaltet ist. Eine Restenergie in der Induktionsspule 8 kann in Form des Speicherstroms über die Freilaufdiode 6 in dem Freilaufpfad 4 abgebaut werden, wobei hierdurch sichergestellt werden kann, dass die in dem Sensorelement 2 gespeicherte Energie nach dem Abschalten des Prüfstroms zuverlässig abgebaut wird, ohne zu Störungen zu führen. Ein solcher exemplarischer Spannungsverlauf ist in 9 dargestellt. Zusätzlich kann sie als Schutz vor eventuell auftretenden Überspannungen dienen. Mit Hilfe der Freilaufdiode 6 können Spannungsspitzen reduziert und auf die Durchlassspannung der Freilaufdiode 6 begrenzt werden. Anstelle der Freilaufdiode 6 kann in dem Freilaufpfad 4 beispielsweise auch eine Zenerdiode, ein Varistor oder eine aktive Schaltung verwendet werden.
Um den aus dem Sensorelement 2 fließenden Speicherstrom und insbesondere den Stromfluss über die Freilaufdiode 6 erfassen zu können, ist bei der erfindungsgemäßen Prüfschaltung 1 eine Messeinrichtung 5 vorgesehen, welche den Speicherstrom messen kann. Die Messeinrichtung 5 wird dabei insbesondere dazu genutzt, den Stromfluss aus dem Sensorelement 2 nach dem Abschalten des Prüfstroms zu überwachen.
Die Messeinrichtung 5 wird insbesondere zur Erfassung eines Abschaltzeitpunkts B verwendet. Dieser Abschaltzeitpunkt B kann dabei entweder ein Schwellenwert oder ein Stromnulldurchgang sein. Die Prüfschaltung 1 wird zu diesem Zeitpunkt B über die Schalter S₁, S₂ von der Stromquelle 3 und der Messeinrichtung 5 abgetrennt. Zum Abschaltzeitpunkt B ist in dem Sensorelement 2 keine Restenergie mehr gespeichert und es befindet sich in einem definierten Zustand, ausgehend von welchem dann eine Positionsmessung erfolgen kann. Durch das Abtrennen der Prüfschaltung 1 bzw. insbesondere durch das Abtrennen der Stromquelle 3 von dem Sensorelement 2 können Restströme und Wechselwirkungen vermieden werden. Die Überwachung des Speicherstroms ist dabei von besonderer Bedeutung, da zum einen Störeinflüsse verringert werden können und es ebenfalls möglich ist, schneller mit dem eigentlichen Messvorgang des Zählerstands zu beginnen.
Die den Speicherstrom erfassende Messeinrichtung 5 kann dabei als Strommesseinrichtung ausgebildet und in Reihe mit dem Sensorelement 2 geschaltet sein oder als Spannungsmesseinrichtung ausgebildet und dem Sensorelement 2 parallel geschaltet sein. Ausführungsvarianten, bei welchen die Messeinrichtung 5 als Strommesseinrichtung ausgebildet ist, sind in den 4 und 5 darstellt. Ausführungsvarianten, bei welchen die Messeinrichtung 5 als Spannungsmesseinrichtung ausgebildet ist, sind in den 2 und 3 darstellt.
Zunächst soll nachfolgend näher auf die 2 und 3 eingegangen werden, in welchen die Messeinrichtung 5 der Prüfschaltung 1 als Spannungsmesseinrichtung ausgebildet ist. Diese Prüfschaltungen 1 können dann verwendet werden, wenn keine direkte Strommessung gewünscht ist. Der Speicherstrom kann indirekt über die Flussspannung der Freilaufdiode 6 bestimmt und weiterverarbeitet werden.
Die 2 zeigt eine Prüfschaltung 1, welche mit der Induktionsspule 8 als Teil des Sensorelements 2 an den Anschlusspunkten 11 verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Freilaufdiode 6, die Stromquelle 3 sowie die Messeinrichtung 5 jeweils parallel zu dem Sensorelement 2 verschaltet und gegen Masse geführt. Wird nun das Sensorelement 2 mit einem mittels der Stromquelle 3 erzeugten rampenförmigen Prüfstrom beaufschlagt, ist zu erkennen, dass die Freilaufdiode 6 in Sperrrichtung betrieben wird. Ein Stromfluss über die Freilaufdiode 6 ist somit zu diesem Zeitpunkt nicht möglich.
Die Messeinrichtung 5 überwacht dabei den Stromfluss aus dem Sensorelement 2, um feststellen zu können, ob ein bestimmter Schwellenwert unterschritten wurde und/oder ob ein Stromnulldurchgang stattgefunden hat. Diese Messung ist erforderlich, um einen geeigneten Abschaltzeitpunkt B der Prüfschaltung 1 zu definieren. Denn wenn nach dem Abschaltzeitpunkt A des Prüfstroms ein Schwellenwert unterschritten wurde und/oder der Speicherstrom einen Nulldurchgang hat, kann die Prüfschaltung 1 von dem Sensorelement 2 abgetrennt werden, ohne dass es zu Störungen kommt. Wurde der Abschaltzeitpunkt B, also entweder der Schwellenwert oder der Stromnulldurchgang erreicht, können die in der 2 dargestellten Schalter S₁, S₂ geöffnet werden, wobei sichergestellt ist, dass keine Energie mehr im Sensorelement 2 gespeichert ist. Ein Abklemmen der Prüfschaltung 1 ist dabei sinnvoll, um keine Beeinträchtigungen beispielsweise durch Wechselwirkungen im laufenden Messbetrieb und damit Störungen zu generieren. Die Prüfschaltung 1 und damit insbesondere auch die Stromquelle 3 können zum Prüfen dem Sensorelement 2 zugeschaltet werden und nach Beendigung der Prüfung wieder abgeklemmt werden.
Ähnlich wie 2 zeigt auch 3 eine Prüfschaltung 1 mit einer Messeinrichtung 5, welche als Spannungsmesseinrichtung ausgebildet ist. Der wesentliche Unterschied zu 2 besteht dabei darin, dass sowohl das Sensorelement 2, die Freilaufdiode 6, die Stromquelle 3 als auch die Messeinrichtung 5 nicht gegen Masse geschaltet sind. Sie weisen jedoch ein gemeinsames Potenzial auf. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsvariante handelt es sich daher um eine alternative Ausgestaltung zu der in 2 dargestellten Ausführungsvariante.
Anhand der 4 und 5 soll nun nachfolgend auf Ausführungsvarianten eingegangen werden, bei welchen die Messeinrichtung 5 als Strommesseinrichtung ausgebildet ist.
Die 4 zeigt eine Prüfschaltung 1, bei welcher eine direkte Strommessung mittels der Messeinrichtung 5 durchgeführt werden kann. Der Prüfvorgang erfolgt bis auf die Messung des Speicherstroms analog zu dem zu den 2 und 3 beschriebenem Vorgehen.
Die Messeinrichtung 5 ist dabei jeweils in Reihe mit dem Sensorelement 2 und der Stromquelle 3 geschaltet. Im vorliegenden Fall ist die Strommesseinrichtung 5 im Schaltkreis zwischen der Stromquelle 3 und dem Sensorelement 2 angeordnet. 5 zeigt hingegen eine Prüfschaltung 1, bei welcher die Messeinrichtung 5 zwischen dem Sensorelement 2 und der Stromquelle 3 angeordnet ist. Grundsätzlich ist die Position der Messeinrichtung 5 im Stromkreis von untergeordneter Bedeutung. Allerdings ist es wesentlich, dass sichergestellt ist, dass der Stromfluss aus dem Sensorelement 2 über die Messeinrichtung 5 fließt, so dass der Speicherstrom erfasst werden kann.
Da die Freilaufdiode 6 möglichst parallel zum Sensorelement 2 und zur Stromquelle 3 geschaltet ist, kann mittels der Messeinrichtung 5 auch der Stromverlauf über der Diode 6 abgegriffen werden. Auch die Position des Freilaufpfades 4 ist daher grundsätzlich nicht wesentlich, es muss jedoch sichergestellt werden, dass der aus dem Sensorelement 2 fließende Speicherstrom über die Strommesseinrichtung 5 und den Freilaufpfad 4 fließt.
Als weiterer Unterschied zwischen den beiden Prüfschaltungen 1 in den 4 und 5 ist auch hier das Potenzial zu sehen, gegen welches die Schaltungen 1 geführt sind. So ist in der 4 die Prüfschaltung 1 gegen Masse geführt, wohingegen die Prüfschaltung 1 gemäß 5 gegen ein festes gemeinsames Potenzial geführt ist.
Wurde die Prüfschaltung 1 mittels der Schalter S₁, S₂ vom Sensorelement 2 abgetrennt, kann die Detektionsschaltung 10, sofern diese nicht bereits während des Prüfens mit dem Sensorelement 2 verbunden war, an die Anschlusspunkte 11 angeschlossen werden, welche dann die durch den Erregermagneten 12 in der Induktionsspule 8 induzierten Spannungsimpulse detektieren, verarbeiten und anzeigen kann.
Die Spannungsimpulse können dabei zusätzlich als Energiequelle für die Signalverarbeitung verwendet werden. Solche Systeme bezeichnet man auch als Energy Harvesting Applikationen. Insbesondere im Standardbetrieb, bei welchem mittels des Erregermagneten 12 Spannungsimpulse in dem Sensorelement 2 induziert werden, kann die so gewonnene Energie zum Betrieb der Detektionsschaltung 10 verwendet werden. Um einen sicheren Betrieb einer solchen Energy Harvesting Applikation sicherstellen zu können, ist in der Detektionsschaltung 10 ein nicht dargestellter Energiespeicher beispielsweise in Form eines Kondensators angeordnet, welcher die durch die Spannungsimpulse erzeugte Energie speichern kann. Die Energie kann dann wiederum dem Energiespeicher beispielsweise für die Signalverarbeitung entnommen werden.
Die Prüfschaltung 1 und/oder die Detektionsschaltung 10 sind des Weiteren jeweils als integrierte Schaltung ausgebildet, wobei die Prüfschaltung 1 und die Detektionsschaltung 10 insbesondere als eine gemeinsame integrierte Schaltung ausgebildet sind.
Mit der erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung 9 sowie mit der erfindungsgemäßen Prüfschaltung 1 lassen sich Fehldetektionen, hervorgerufen durch fehlerhafte Spannungsimpulse, minimieren. Zum Prüfen des Zustandes des Sensorelementes 2 kann über eine Stromquelle 3 ein Prüfstrom in das Sensorelement 2 eingeprägt werden. Eventuell verbleibende Restenergie in dem Sensorelement 2 kann mittels der Prüfschaltung 1 detektiert und über einen Freilaufpfad 4 abgeleitet werden. Die Überwachung des Stromflusses aus dem Sensorelement 2 erfolgt dabei über eine Messeinrichtung 5, wobei ein geeigneter Abschaltzeitpunkt B definiert werden kann. Die Energie aus dem Sensorelement 2 kann somit sicher abgebaut werden, wobei Parameterschwankungen des Sensorelements 2 vernachlässigbar werden.
Bezugszeichenliste

1: Prüfschaltung
2: Sensorelement
3: Stromquelle
4: Freilaufpfad
5: Messeinrichtung
6: Freilaufdiode
7: Hystereseelement
8: Induktionsspule
9: Positionsmessvorrichtung
10: Detektionsschaltung
11: Anschlusspunkt
12: Erregermagnet
S₁, S₂: Schalter
A: Endpunkt der Stromrampe
B: Abschaltzeitpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012102308 A1 [0004]

Claims

Prüfschaltung zum Prüfen eines magnetischen Sensorelements (2) mit einer Stromquelle (3) zum Beaufschlagen des Sensorelements (2) mit einem Prüfstrom, gekennzeichnet durch einen Freilaufpfad (4) zum Ableiten des in dem Sensorelement (2) gespeicherten Speicherstroms nach dem Abschalten des Prüfstroms und eine den Speicherstrom erfassenden Messeinrichtung (5).
Prüfschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen Schalter (S₁, S₂) zur Abtrennung der Stromquelle (3) und der Messeinrichtung (5).
Prüfschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilaufpfad (4) eine Freilaufdiode (6) aufweist.
Prüfschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilaufpfad (4) dem Sensorelement (2) und/oder der Stromquelle (3) parallel geschaltet ist.
Prüfschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) als Strommesseinrichtung ausgebildet und in Reihe mit dem Sensorelement (2) geschaltet ist.
Prüfschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) als Spannungsmesseinrichtung ausgebildet und dem Sensorelement (2) parallel geschaltet ist.
Prüfschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfstrom der Stromquelle (3) rampenförmig verläuft.
Positionsmessvorrichtung zum Ermitteln von Winkel- oder Längenpositionen mit einem magnetischen Sensorelement (2), gekennzeichnet durch eine Prüfschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) ein Hystereseelement (7), insbesondere ein Wiegand-Draht oder einen Impulsdraht, und eine um das Hystereseelement (7) gewickelte Induktionsspule (8) aufweist.
Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Detektionsschaltung (10) zur Detektion von in dem Sensorelement (2) erzeugten Spannungsimpulsen.
Verfahren zum Prüfen eines magnetischen Sensorelements (2) mit einer Prüfschaltung (1), wobei eine Stromquelle (3) das Sensorelement (2) mit einem Prüfstrom beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Freilaufpfad (4) der in dem Sensorelement (2) gespeicherte Speicherstrom nach dem Abschalten des Prüfstroms abgeleitet und mittels einer Messeinrichtung (5) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfschaltung (1) von dem Sensorelement (2) getrennt wird, nachdem der Speicherstrom einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektionsschaltung (10) mit dem Sensorelement (2) verbunden wird, nachdem die Prüfschaltung (1) vom Sensorelement (2) getrennt wurde.