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Die Erfindung betrifft ein System zur Erfassung einer Drehzahl eines rotationssymmetrischen Körpers, umfassend einen mit dem rotationssymmetrischen Körper drehfest verbundenen Markierungskörper, und einen induktiven Sensor, wobei der Sensor ausgebildet ist, eine zu ihm gerichtete metallische Oberfläche des Markierungskörpers zu erfassen.
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Die Funktionsweise des induktiven Sensors, auch Näherungsschalter oder induktiver Endschalter genannt, erfolgt nach einem dem Fachmann bekannten Prinzip: ein eine Induktivität enthaltender Schwingkreis erzeugt an einer Stirnfläche des Sensors ein keulenförmiges Magnetfeld. Sobald ein metallisches Objekt, auch Target genannt, in dieses Magnetfeld tritt, wird der Schwingkreis bedämpft, d.h. eine Amplitude eines Oszillatorsignals wird deutlich verringert. Ursächlich hierfür ist ein Energieentzug aus dem Magnetfeld durch Erzeugung von Wirbelströmen in dem metallischen Objekt. Ein nachfolgender Demodulator kann anschließend die Basisfrequenz herausfiltern und eine der Amplitude proportionale Spannung erzeugen. Über einen Schwellwertkomparator werden die Amplitudenunterschiede ausgewertet und führen zu den Schaltaussagen „Schalter offen“ oder „Schalter geschlossen“. Die gesamte Elektronik kann dabei im Endschalter integriert sein. Vorteile eines induktiven Sensors sind u.a. seine nahezu verschleißfreie Einsetzbarkeit. Sein Anwendungsbereich umfasst Branchen wie den Maschinen- und Anlagenbau, die Fabrikautomation, die Automobilindustrie, die Lager- und Fördertechnik, die Verpackungstechnik, die Druck- und Papierindustrie und die Chemie- und Verfahrenstechnik.
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Ein wesentliches Merkmal des induktiven Sensors ist die sogenannte Hysterese oder Schalthysterese. Die Schalthysterese kennzeichnet dabei eine Position, bei der der Sensor bei Annäherung des metallischen Objekts einschaltet und bei Entfernung wieder ausschaltet oder umgekehrt. Anders ausgedrückt, ist die Hysterese die Weg oder Winkeldifferenz zwischen dem Anschaltpunkt bei Annäherung eines Objektes und dem Abschaltpunkt bei dessen Entfernung vom Sensor. Die Annäherung und Entfernung kann u.a. axial oder radial erfolgen.
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Dieses Hystereseverhalten kann bei einer Vielzahl von Sensoren gewollt sein, um ein stabiles, sicheres Sensorsignal bzw. eine stabile, sichere Schaltaussage zu erhalten. So lässt sich beispielsweise ein Flattern des Ausganges bei sich langsam nähernden Objekten, Temperaturdrift, elektrischen Störungen oder Vibrationen zu verhindern.
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Jedoch ist es in vielen Drehzahlanwendungen erforderlich, Position bzw. Lage und/oder Drehzahl und/oder Drehrichtung eines rotationssymmetrischen Körpers, beispielsweise einer Welle unter Verwendung eines induktiven Sensors genau zu detektieren. Die Hysterese eines induktiven Sensors kann zu Fehlern in der Detektion eines zu detektierenden Objekts und/oder zu Fehlern in der Berechnung einer Position, beispielsweise eines Weges oder Drehwinkels und/oder zu Fehlern in der Berechnung einer Drehzahl führen.
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Um diese Hysterese zu kompensieren, werden in der Literatur u.a. mathematische Modelle vorgeschlagen, die zur Aufstellung von Differentialgleichungen mit unbekannten Parametern führen. Der Nachteil an diesen mathematischen Modellen ist, dass die unbekannten Parameter oftmals durch hohen empirischen Aufwand ermittelt werden müssen.
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Eine andere Lösung sieht einen Schwellwertwechsel vor. D.h., der Schwellwert des Sensors wird während der Erfassung geändert. Der Nachteil einer solchen Lösung liegt in einem zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand. Zudem erfordert sie mehr Bauteile, was sie fehleranfälliger werden lässt, und erhöht die Kosten.
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Aus der unveröffentlichten
DE102015218020 geht ein gattungsgemäßes System hervor, bei dem der Markierungskörper ein Profil aufweist, welches sich in einer Schnittfläche durch den Markierungskörper derart verjüngt, dass während der Erfassung des Markierungskörpers mittels des Sensors ein Abstand der zum Sensor gerichteten metallischen Oberfläche des Markierungskörpers veränderbar ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein konstruktiv einfaches und zugleich kostengünstiges verbessertes System zur Erfassung einer Drehzahl eines rotationssymmetrischen Körpers vorzuschlagen, mit dem sich u.a. die Schalthysterese kompensieren lässt. Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ist es, ein Verfahren für eine Schalthysteresekompensation vorzuschlagen. Ein zusätzlicher Aspekt der Erfindung ist es, eine Verwendung eines o.g. Systems für eine Schalthysteresekompensation vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, dass die Oberfläche zumindest zwei Abschnitte aufweist, wobei ein jeweiliger Abschnitt aus unterschiedlichem Material besteht und jeweils eine unterschiedlich große Bedämpfungsgüte aufweist, wobei die Abschnitte hinsichtlich der Größe der Bedämpfungsgüte in absteigender Reihenfolge derart angeordnet sind, dass bei Drehung des rotationssymmetrischen Körpers in eine erste Drehrichtung zunächst ein erster Abschnitt mit einer ersten Bedämpfungsgüte und zeitlich später ein zumindest zweiter Abschnitt mit einer zumindest zweiten Bedämpfungsgüte vom Sensor erfasst werden kann.
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Beispielsweise kann an einen an erster Position angeordneten Abschnitt aus einem ersten Material, das beispielsweise eine Bedämpfungsgüte von 1,0 aufweist, sich ein benachbarter Abschnitt aus einem unterschiedlichen zweiten Material anschließen, mit beispielsweise einer Bedämpfungsgüte von 0,7, an den sich wiederum ein dritter und vierter Abschnitt mit einer Bedämpfungsgüte von 0,5 bzw. 0,45 anschließen kann.
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Mit Bedämpfungsgüte oder Güte ist eine dimensionslose Größe gemeint, die ein Ausmaß der Bedämpfung des Schwingkreises beispielsweise bei Eintritt des Markierungskörpers in das elektromagnetische Feld repräsentiert. Diese ist abhängig vom verwendeten Material oder Legierung des Markierungskörpers. Anders ausgedrückt, gibt die Bedämpfungsgüte an, wie stark die Amplitude des Oszillatorsignals mittels eines metallischen Materials im Vergleich zu einem anderen metallischen Material mit einer anderen Bedämpfungsgüte verringert wird. Beispielsweise kann eine Bedämpfungsgüte mit dem Wert 1 eine bestimmte Verringerung der Amplitude zur Folge haben, also einen bestimmten Einfluss auf das elektromagnetische Wechselfeld des Sensors ausüben. Ein Metall mit einer geringeren Bedämpfungsgüte, beispielsweise mit einem Wert von 0,7 oder 0,5 hat eine geringere Verringerung der Amplitude zur Folge. Natürlich lässt sich diese Skalierung auch in entgegengesetzter Richtung vornehmen, also das eine Bedämpfungsgüte mit einem Wert 0,9 einen höheren Einfluss auf das elektromagnetische Wechselfeld des Sensors hätte.
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Dadurch kann in eine erste Drehrichtung, in Richtung der absteigenden Bedämpfungsgüten, eine Schalthysterese kompensiert wird, d.h., dass eine Differenz zwischen einem Einschaltpunkt zu einem Beginn der Erfassung und einem Ausschaltpunkt zu einem Ende der Erfassung den Wert Null ergibt. Gleichzeig ist ein erster Abstand zwischen der metallischen Oberfläche und dem Sensor zu Beginn der Erfassung und ein zweiter Abstand zum Ende der Erfassung gleich groß.
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Der Begriff „Abstand“ im Sinne dieser Erfindung kann zwei Bedeutungen haben. Einerseits, um eine kürzeste Verbindungslinie zwischen zwei Gegenständen oder zwei Punkten zu beschreiben, was einen „geometrischen“ Abstand darstellt. Andererseits kann der Abstand auch mittels der Schwingkreisdämpfung beschrieben werden, was dann den Schaltabstand repräsentiert. So kann ein zu detektierendes Objekt mit hoher Metalldichte oder -güte, also mit einer hohen Bedämpfungsgüte, und einem großen geometrischen Abstand zum Sensor einen gleichen Schaltabstand, d.h. eine gleiche Schwingungsdämpfungscharakteristik zeigen, wie ein Objekt mit niedriger Metalldichte oder -güte und geringem geometrischen Abstand zum Sensor. Der Schaltabstand kann beispielsweise in Millimeter [mm], Grad [°] oder Sekunden [s] angegeben werden.
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Es hat sich weiter herausgestellt, dass die Hysteresekompensation in nur einer von zwei Drehrichtungen erfolgen kann. In einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten zweiten Drehrichtung erfolgt eine Hystereseverstärkung. Dadurch ist es möglich, zusätzlich auf die Drehrichtung zu schließen. So kann die Kompensation bzw. die Kompensationsrichtung einer ersten Drehrichtung zugeordnet und die Verstärkung bzw. die Verstärkungsrichtung einer zweiten der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung zugeordnet werden.
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In vorteilhafter Weise lassen sich dadurch unter Verzicht auf aufwendige Rechenverfahren oder zusätzlichen Schaltungsaufwand mittels der Schalthysteresekompensation Winkel und Drehzahlen einer Welle o.ä. in einer Vielzahl von Drehzahlanwendung auf konstruktiv einfache Weise sehr präzise erfassen.
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Insbesondere gegenüber dem unveröffentlichten Stand der Technik kann eine bessere Festigkeit des Markierungskörpers erreicht werden. Auch können konstruktive Vorgaben gegen eine „geometrische Lösung“ nach dem unveröffentlichten Stand der Technik und für eine „Materiallösung“ sprechen.
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Der Schaltabstand zu Beginn der Erfassung des Markierungskörpers wird Einschaltpunkt oder Einschaltabstand bzw. Anschaltpunkt oder Anschaltabstand bezeichnet. Der Schaltabstand zum Ende der Erfassung des Markierungskörpers wird Abschaltpunkt oder Abschaltabstand bezeichnet. Der Einschaltpunkt und Ausschaltpunkt kann sich sowohl auf einen Winkel, einen Weg, einen Zeitpunkt oder eine Zeitspanne beziehen.
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Mit Erfassen oder Erfassung ist die Wahrnehmung des Markierungskörpers mittels des Sensors gemeint. Ein rotationssymmetrischer Körper kann beispielsweise eine Scheibe, eine Welle o. ä. sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
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Der konkrete Wertunterschied benachbarter Bedämpfungsgüten, kann sich beispielsweise am Einschaltpunkt orientieren. Ist dieser für eine konkrete Drehzahlanwendung für ein bestimmtes Material bekannt, so lässt sich die Höhe der benachbarten Güte für einen korrespondierenden Abschaltpunkt, d.h., dass die Differenz beider Schaltabstände den Wert Null ergibt, bei gegebener Materialcharakteristik des metallischen Objekts mit vergleichsweise geringem Aufwand beispielsweise experimentell oder rechnergestützt ermitteln. Wenn ein Einschaltpunkt mit einem Abschaltpunkt korrespondiert, dann bedeutet dies, dass die Differenz beider Schaltabstände den Wert Null ergibt.
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Die Anzahl der Abschnitte und/oder deren jeweilige umfängliche Ausdehnung ist u.a. abhängig von der konkreten Drehzahlanwendung. Hier sind viele Kombinationen denkbar.
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Bevorzugt ist es, wenn es sich bei dem Sensor um einen n/c-Sensor handelt. Bei einem n/c-Sensor (normally closed) ist der Stromkreis des Sensors voreinstellungsmäßig geschlossen, d.h. wenn der Sensor kein Objekt oder keinen Markierungskörper detektiert, liefert der Sensor einen hohen Spannungswert, beispielsweise den Spannungswert "high" oder 5V.
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Der Vorteil des n/c-Sensors liegt darin, dass ein Abbruch der Versorgungsspannung, beispielsweise bei einem stillstehendem Planetengetriebe oder einer anderen stillstehenden Drehzahlanwendung besser erkannt werden kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn im Normalbetrieb über einen größeren Winkelbereich nicht detektiert wird und dementsprechend über einen größeren Bereich der Spannungswert "high" erwartet werden würde.
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Ebenfalls bevorzugt ist es, wenn es sich bei dem Sensor um einen n/o-Sensor (normally open) handelt. Bei einem n/o-Sensor ist der Stromkreis des Sensors voreinstellungsmäßig offen, d.h. wenn kein Objekt oder kein Markierungskörper vor dem Sensor ist, liefert der Sensor beispielsweise den Spannungswert "low" oder 1V.
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Der Vorteil des n/o-Sensors liegt darin, dass er überwiegend einen niedrigen Spannungswert liefert und somit energiesparender als ein n/c Sensor ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Winkelbereiche, bei denen der Sensor nicht detektiert, größer sind als die Winkelbereiche, bei denen der Sensor im Normalbetrieb detektiert.
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Ebenso ist es bevorzugt, wenn die Abschnitte in Umfangsrichtung des rotationssymmetrischen Körpers hinsichtlich der Größe ihrer Bedämpfungsgüte in absteigender Reihenfolge angeordnet sind. Die Anordnung in Umfangsrichtung ermöglicht eine besonders platzsparende und kompakt bauende Ausführungsform.
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Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass mehrere Markierungskörper in Umfangsrichtung des rotationssymmetrischen Körpers angeordnet sind, wobei die jeweiligen Abschnitte in nur eine Umfangsrichtung in absteigender Reihenfolge angeordnet sind, d.h. Abschnitte benachbarter Markierungskörper sind in die gleiche Richtung absteigend angeordnet. Hierdurch lassen sich präzisere Aussagen hinsichtlich Drehzahl und/oder Winkelstellung des rotationssymmetrischen Körpers treffen. Zudem kann dadurch eine sichere Aussage über die Drehrichtung getroffen werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass einer der Abschnitte aus Baustahl besteht. Dessen Bedämpfungsgüte ist ein bevorzugter Referenzwert an welchen andere metallische Werkstoffe ausgerichtet werden können. So ist es bevorzugt, dass der Abschnitt mit Baustahl in der Reihenfolge der angeordneten Abschnitte an erster Position ist.
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Bevorzugt ist es zudem, dass einer der Abschnitte aus Baustahl und der zumindest andere Abschnitt aus Edelstahl, Messing, Kupfer oder Aluminium ist.
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Die Materialien Edelstahl, Messing, Kupfer und Aluminium sind neben Baustahl die bevorzugten Materialien. Sie weisen eine geringere Bedämpfungsgüte als Baustahl auf. Weist Baustahl eine Bedämpfungsgüte von 1 auf, so kann Edelstahl im Vergleich zu Baustahl eine Bedämpfungsgüte von 0,7, Messing von 0,5, Kupfer von 0,45 und Aluminium von 0,4 aufweisen. Diese Werte geben Näherungswerte für die materialbedingten Reduktionsfaktoren an. Im praktischen Einsatz können sich z. B. durch unterschiedliche Legierungen Abweichungen ergeben.
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Gleichwohl es bevorzugt ist, dass Baustahl als ein erstes Glied, d.h. an erster Position der metallischen Oberfläche ausgebildet ist, so kann es selbstverständlich auch möglich sein, den Baustahl-Abschnitt als zweites, drittes, etc. Glied vorzusehen. An erster, zweiter, etc. Stelle müsste entsprechend ein Material verwendet werden, dass eine höhere Bedämpfungsgüte aufweist.
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Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn benachbarte Abschnitte mittels Schweißen oder Löten verbunden sind.
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Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn der Markierungskörper mit unterschiedlichen und mit absteigend angeordneten Bedämpfungsgüten einstückig, insbesondere mittels Schmieden, hergestellt ist.
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Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, nämlich ein Verfahren zur Kompensation einer Schalthysterese für ein System zur Erfassung einer Drehzahl eines rotationssymmetrischen Körpers, umfassend die Schritte:
Beginn einer Erfassung eines ersten metallischen Abschnittes mit einer ersten Bedämpfungsgüte eines um die Rotationsachse des rotationssymmetrischen Körpers in eine ersten Drehrichtung rotierenden Markierungskörpers mittels eines induktiven Sensors in einem ersten Schritt zu einem Zeitpunkt t1, wobei im Zeitpunkt t1 zwischen einem frühestmöglich erfassten Punkt des ersten Abschnitts und Sensor ein erster Abstand S1 vorliegt,
Beginn der Erfassung eines n-ten metallischen Abschnitts mit einer n-ten Bedämpfungsgüte in einem n-ten Schritt zu einem Zeitpunkt tn, Beenden der Erfassung des n-ten Abschnitts in einem (n + 1)-ten Schritt zu einem Zeitpunkt tn + 1, wobei im Zeitpunkt tn + 1 zwischen einem spätestmöglich erfassten Punkt des n-ten Abschnitts und Sensor ein zweiter Abstand S2 vorliegt,
wobei die erste Bedämpfungsgüte größer als die n-te Bedämpfungsgüte, der Zeitpunkt tn + 1 größer als der Zeitpunkt tn größer als der Zeitpunkt t1 und n größer oder gleich 2 ist.
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Mit Hilfe dieses Verfahrens lässt sich in vorteilhafter Weise die Schalthysterese unter Verwirklichung einer höheren Festigkeit kompensieren, sodass der erste Abstand S1 gleich dem zweiten Abstand S2 ist.
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Dieses Verfahren kann weitere Schritte umfassen. So ist es denkbar in einem weiteren beispielhaften dritten Schritt mittels eines Komparators die Winkel miteinander zu vergleichen und in einem weiteren beispielhaften vierten Schritt den Vergleichswert auszugeben. Ist einer ersten Drehrichtung die Kompensationsdrehrichtung zugeordnet und ist einer zweiten der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Drehrichtung die Verstärkungsrichtung zugeordnet, so lässt sich zusätzlich die Drehrichtung und eine Änderung der Drehrichtung bestimmen.
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Bevorzugt ist ein Verfahren, umfassend die Schritte:
Beginn einer Erfassung eines ersten metallischen Abschnittes mit einer ersten Bedämpfungsgüte eines um die Rotationsachse des rotationssymmetrischen Körpers in eine ersten Drehrichtung rotierenden Markierungskörpers mittels eines induktiven Sensors in einem ersten Schritt zu einem Zeitpunkt t1, wobei im Zeitpunkt t1 zwischen erstem Abschnitt und Sensor ein erster Abstand S1 vorliegt,
Beginn der Erfassung eines zweiten metallischen Abschnitts mit einer zweiten Bedämpfungsgüte in einem zweiten Schritt zu einem zweiten Zeitpunkt t2,
Beenden der Erfassung des zweiten Abschnitts in einem dritten Schritt zu einem dritten Zeitpunkt t3, wobei im Zeitpunkt t3 zwischen einem spätestmöglich erfassten Punkt des zweiten Abschnitts und Sensor ein zweiter Abstand S2 vorliegt,
wobei die erste Bedämpfungsgüte größer als die zweite Bedämpfungsgüte, der dritte Zeitpunkt t3 größer als der zweite Zeitpunkt t2 größer als der erste Zeitpunkt t1 ist und S1 gleich S2 ist.
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Ein noch weiterer Aspekt dieser Erfindung ist es, eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Systems bereitzustellen.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale in zweckmäßiger Weise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente.
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Es zeigen
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1: Prinzipbild eines induktiven Sensors;
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2: Prinzipbild einer Schalthysterese des induktiven Sensors aus 1;
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3: System zur Erfassung einer Drehzahl nach dem Stand der Technik;
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4: System nach unveröffentlichtem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht;
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4a: System der 4 in einer weiteren Ansicht;
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5a: System der 4 im Zeitpunkt einer frühestmöglichen Erfassung;
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5b: System der 4 im Zeitpunkt einer spätestmöglichen Erfassung; und
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6: Erfindungsgemäßes System in einer ersten bevorzugten Ausführung;
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7a–7c: weitere bevorzugte Ausführungsformen in einer Seitenansicht; und
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8a–8c: die Ausführungsformen der 7a–7c in einer Draufsicht.
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Ein induktiver Sensor 10 besteht im Wesentlich aus den Funktionsgruppen Spule 11, Oszillator 12, Schwellwertschalter 13 und Schaltendstufe 14. Der Oszillator 12 generiert ein hochfrequentes, elektromagnetisches Wechselfeld 15, das aus der Spule 11 an einer aktiven Fläche 16 nach außen austritt. Wenn ein metallisches Objekt 20 oder ein Markierungskörper 43 (siehe 3 bis 5) in dieses Feld 15 eintritt, werden in ihm Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme entziehen dem Magnetfeld 15 und damit dem Oszillator 12 Energie, d.h. er wird bedämpft. Der Energieentzug ist umso größer, je näher das metallische Objekt 20 an die aktive Fläche 16 herangeführt wird. Der Schwellwertschalter 13 schaltet bei einem definierten Wert der Bedämpfung die Schaltendstufe 14 ein. Das Prinzip eines induktiven Sensors ist in 1 gezeigt.
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Mit Schalthysterese 30 wird die Differenz zwischen Einschaltpunkt bei Annäherung des Objektes 20 und Abschaltpunkt bei dessen Entfernung bezeichnet. 2 zeigt ein Prinzipbild einer Schalthysterese 30 des induktiven Sensors 10. Das Objekt 20 nähert sich in Pfeilrichtung 31 dem Sensor 10. In Abhängigkeit eines Spulendurchmessers, einer Größe des zu erfassenden metallischen Objekts 20 und dessen Material erfasst der Sensor 10 das Objekt 20 in einem Abstand d1 und schaltet ein. Entfernt sich das Objekt 20 wieder vom Sensor 10 in Pfeilrichtung 32 oder wird das Objekt 20 vom Sensor 10 in Pfeilrichtung 32 entfernt, so schaltet der Sensor 10 bei einem Abstand d2 aus. D1 und d2 sind unterschiedlich groß – diese Differenz wird mit – hin als Hysterese oder Schalthysterese bezeichnet. Dieses Hystereseverhalten ist in 2 mittels einer Einschaltkurve 33 und einer Ausschaltkurve 34 dargestellt, wobei die Einschaltkurve 33 mittels einer Strich-Punkt-Linie und die Ausschaltkurve 34 mittels einer durchgezogenen Linie dargestellt ist. Erfolgt die Annäherung des Objekts 20 zum Sensor 10 radial, und nicht axial, entsteht ebenfalls eine Hysterese, die in 2 mit Bezugszeichen 35 bezeichnet ist.
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In 3 ist ein System zur Erfassung einer Drehzahl in einer Drehzahlanwendung nach dem Stand der Technik abgebildet. Der Sensor 10 ist derart angeordnet, dass seine aktive Fläche 16 im Wesentlich senkrecht auf die metallische Oberfläche 49 eines Markierungskörpers 41 eines als Zählscheibe ausgebildeten rotationssymmetrischen Körpers 40 gerichtet ist, wenn ein Abstand zwischen aktiver Fläche 16 und Oberfläche 49 minimal ist. Die in Umfangsrichtung unterbrochenen Markierungskörper 41 sind in Umfangsrichtung der Zählscheibe 40 in gleichen Abständen angeordnet. Wird die Zählscheibe 40 in eine von beiden Drehrichtungen gedreht, so erfasst der Sensor 10 abwechselnd einen Markierungskörper 41 und eine Unterbrechung 42.
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Ist der Sensor ein n/c-Sensor, so wird bei Erfassung des Markierungskörpers 41 ein niedrigerer Spannungswert ausgegeben als bei Nichterfassung. Ist der Sensor ein n/o-Sensor wird bei Erfassung eines er Markierungskörper 41 ein höherer Spannungswert ausgegeben als bei Nichterfassung. Aus der Anzahl der erfassten Markierungskörper 41 pro Zeiteinheit lässt sich die Drehzahl ermitteln. Problematisch bei er Drehzahlanwendung in 3 ist die Entstehung einer prinzipbedingten Hysterese.
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In 4 ist eine erste beispielhafte Ausführungsform nach dem unveröffentlichten Stand der Technik dargestellt. Die Zählscheibe 40 weist in Umfangsrichtung in gleichen Abständen angeordnete Markierungskörper 43 auf, deren jeweiliges Profil sich im Längsschnitt verjüngt und die Geometrie eines rechtwinkligen Trapezes aufweist, wobei die Längsschnittfläche die Rotationsachse 44 lotrecht schneidet. Der jeweilige Markierungskörpers 43 weist an seiner radialen Außenseite eine metallische Oberfläche 49 auf, die in Umfangsrichtung durch eine erste sich von der Zählscheibe radial nach außen erstreckende Fläche 43a und eine zweite sich von der Zählscheibe radial nach außen erstreckende Fläche 43b begrenzt wird, wobei die radiale Erstreckung der Fläche 43 a größer ist als die der Fläche 43b. Die metallische Oberfläche 49, ist die zum Sensor gerichtete Fläche. Dreht die Zählscheibe 40 in Drehrichtung 45 am Sensor 10 vorbei, so erfasst der Sensor 10 zunächst einen frühestmöglich erfassbaren Punkt 47 der metallischen Oberfläche 49. In dem Zeitpunkt des Beginns der Erfassung zu einem Zeitpunkt t1 weist der Punkt 47 einen Abstand d3 zum Sensor 10 auf, d.h. der Einschaltpunkt ist d3. Der Markierungskörper 43 läuft weiter an dem Sensor 10 vorbei, bis der Sensor 10 in einem späteren Zeitpunkt t2 den spätestmöglich erfassbaren Punkt 48 erfasst und dann abschaltet. Die Verjüngung, d.h. in diesem Fall der sich vergrößernde Abstand zwischen der Oberfläche 49 und dem Sensor 10 hat zur Folge, dass die jeweilige Erfassung der Markierungskörper 43 zeitlich früher beendet wird als dies ohne Verjüngung der Fall wäre. Anders ausgedrückt, wird ein Abschaltpunkt bzw. Abschaltabstand d4 zeitlich früher erreicht.
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Dreht die Zählscheibe in Drehrichtung 46 am Sensor 10 vorbei, so erfasst der Sensor 10 zunächst den Punkt 48, der nun den frühestmöglich erfassten repräsentiert. In diesem Fall wird die Hysterese nicht kompensiert sondern verstärkt, beispielsweise wird der Abstand vergrößert. In der 4 ist der Kompensationsrichtung die Drehrichtung 45 zugeordnet und der Verstärkungsrichtung die Drehrichtung 46.
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Die Ausführungsform in 4 zeigt die Verjüngung als eine Schnittfläche die die Rotationsachse 44 lotrecht schneidet, also radial variabel ist. Selbstverständlich ist es auch vorstellbar, die Verjüngung derart zu gestalten, dass die Schnittfläche parallel zur Rotationsachse 44 verläuft, also axial variabel ist. In diesem Fall wäre der Sensor parallel zur Rotationsachse 44 ausgerichtet. Aber auch anders verlaufende Schnittflächen durch den Markierungskörper sind vorstellbar.
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4a zeigt die Markierungskörper 41 in einem Querschnitt.
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5a zeigt eine Momentaufnahme des erfindungsgemäßen Systems im Zeitpunkt t1 der frühestmöglichen Erfassung des Punktes 47 in Drehrichtung 45. Das System weist zwischen dem Punkt 47 und beispielsweise dem Mittelpunkt der aktiven Fläche 16 des Sensors 10 einen Abstand d3 auf. Zudem weist das System einen Winkel α auf. Der Winkel α wird dabei in Umfangsrichtung durch zwei Geraden g1 und g2 aufgespannt, wobei die Gerade g1 den Punkt 47 mit der Rotationsachse 44 verbindet und Gerade g2 die Rotationsachse 44 mit dem Mittelpunkt der aktiven Fläche 16 verbindet.
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5b zeigt eine Momentaufnahme des erfindungsgemäßen Systems im Zeitpunkt t2 der spätestmöglichen Erfassung des Punktes 48 in Drehrichtung 45. Das System weist zwischen dem Punkt 48 und dem Mittelpunkt der aktiven Fläche 16 des Sensors 10 einen Abstand d4 auf, der größer ist als d3. Zudem weist das System einen Winkel β auf. Der Winkel β wird dabei in Umfangsrichtung durch zwei Geraden g2 und g3 aufgespannt, wobei die Gerade g3 den Punkt 48 mit der Rotationsachse 44 verbindet.
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Schaltet der Sensor im Zeitpunkt t1 bei Winkelstellung α ein und im Zeitpunkt t2 bei Winkelstellung β ab und sind die Winkel α und β vom Betrage her gleich, so ist die Hysterese erfindungsgemäß kompensiert.
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Das erfindungsgemäße System basiert auf einem ähnlichen Prinzip wie das in den 4 bis 5b gezeigte System. Anstelle des sich verjüngenden Querschnitts tritt eine Materialänderung im Markierungskörper 50 bzw. in der metallischen Oberfläche 49. Unterschiedliche Metalle weisen unterschiedlich starke oder schwache Einflüsse auf elektromagnetische Schwingkreise auf. Die Verwendung von unterschiedlichen metallischen Materialien, also mit unterschiedlichen Bedämpfungsgüten, entspricht im Wesentlichen der Abstandsänderung nach 4 bis 5b des Markierungskörpers 43 zum Sensor 10.
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In 6 ist ein erfindungsgemäßes System in einer ersten bevorzugten Ausführung zur Erfassung einer Drehzahl in einer Drehzahlanwendung dargestellt. Gleiche Elemente werden dabei gleich bezeichnet.
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Die Zählscheibe 40 weist in Umfangsrichtung in gleichen Abständen angeordnete Markierungskörper 50 auf.
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Der jeweilige Markierungskörpers 50 weist an seiner radialen Außenseite eine metallische Oberfläche 49 mit drei Abschnitten A1, A2 und A3 auf, wobei ein erster Abschnitt A1 eine Bedämpfungsgüte G1, ein zweiter Abschnitt A2 eine Bedämpfungsgüte G2 und ein dritter Abschnitt A3 eine Bedämpfungsgüte G3 aufweisen, wobei der zweite Abschnitt A2 in Umfangsrichtung zwischen dem ersten und dem dritten Abschnitt A1 bzw. A3 angeordnet ist. Die metallische Oberfläche 49, ist die zum Sensor gerichtete Fläche. Die metallische Oberfläche 49 erstreckt sich dabei über alle drei Abschnitte A1 bis A3, weist jedoch unterschiedliche Bedämpfungsgüten G1 bis G3 auf. Der erste Abschnitt A1 mit der Bedämpfungsgüte G1 gleich 1 ist aus Baustahl.
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Der zweite Abschnitt A2 mit G2 gleich 0,7 ist aus Edelstahl. Der dritte Abschnitt A3 mit G3 gleich 0,5 ist aus Messing.
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Die Abschnitte sind also hinsichtlich der Größe der Bedämpfungsgüte beginnend mit dem ersten Abschnitt A1 absteigend angeordnet, d.h. in umgekehrter Reihenfolge sind sie entsprechend aufsteigend angeordnet.
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Dreht die Zählscheibe 40 in Drehrichtung 45 wie im linken Bild gezeigt, so erfasst der Sensor 10 zunächst einen frühestmöglich erfassbaren Punkt 51 des ersten Abschnitts A1 der metallischen Oberfläche 49. In dem Zeitpunkt des Beginns der Erfassung zu einem Zeitpunkt t1 weist der Punkt 51 einen Abstand S1 zum Sensor 10 auf, d.h. der Einschaltpunkt ist S1. Der Einschaltpunkt S1 wird dabei maßgeblich von der Bedämpfungsgüte G1 beeinflusst, der vorliegend als Referenzwert dient und mit 1 angegeben wird.
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Der Markierungskörper 50 läuft weiter an dem Sensor 10 vorbei (mittleres Bild in einem Zeitpunkt t2, wobei t2 > t1), sodass er den zweiten und danach den dritten Abschnitt A2 bzw. A3 mit der Bedämpfungsgüte G2 bzw. G3 erfasst, bis der Sensor 10 in einem späteren Zeitpunkt t3 den spätestmöglich erfassbaren Punkt 52 erfasst und dann abschaltet. Im Zeitpunkt t3 beträgt der Abstand S2. Die absteigende Bedämpfungsgüte der metallischen Oberfläche 49 hat zur Folge, dass die jeweilige Erfassung der Markierungskörper 50 zeitlich früher beendet wird als dies ohne Änderung der Bedämpfungsgüte der Oberfläche 49 der Fall wäre, sodass erfindungsgemäß der Schaltabstand S1 gleich dem Schaltabstand S2 ist. Der jeweils gleich große Abstand entspricht gleich großen Verdrehwinkeln α und β aus einer Nullposition des Markierungskörpers 50 heraus in Bezug auf den Sensor 10 und die Rotationsachse 44. Das mittlere Bild der 6 repräsentiert eine solche Nullposition des Markierungskörpers 50.
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Dreht die Zählscheibe in entgegengesetzter Drehrichtung 46 am Sensor 10 vorbei, so erfasst der Sensor 10 zunächst den Abschnitt mit der geringsten Bedämpfungsgüte (was dem Abschnitt A3 mit der Bedämpfungsgüte G3 entspräche) bevor er dann die Abschnitte mit aufsteigender Bedämpfungsgüte erfasst. In der Drehrichtung 46 ist der Abstand zwischen Sensor 10 und frühestmöglich erfassten Punkt kleiner als S1 und der Abstand zwischen Sensor 10 und spätestmöglich erfassten Punkt größer als S2. In diesem Fall wird die Hysterese nicht kompensiert sondern verstärkt. In der 6 ist der Kompensationsrichtung die Drehrichtung 45 zugeordnet und der Verstärkungsrichtung die Drehrichtung 46. Selbstverständlich lässt sich die Kompensation auch der anderen Drehrichtung zuordnen.
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Der Sensor 10 ist derart angeordnet, dass seine aktive Fläche 16 im Wesentlich senkrecht auf die metallische Oberfläche 49 des Markierungskörpers 50 gerichtet ist, wenn ein Abstand zwischen aktiver Fläche 16 und Oberfläche 49 minimal ist.
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7a zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform mit einem ersten Abschnitt aus Baustahl und einer Bedämpfungsgüte G1 gleich 1 und einem zweiten Abschnitt aus Edelstahl mit einer Bedämpfungsgüte G2 gleich 0,7. 7b zeigt die bevorzugte Ausführungsform aus 6. 7c zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform mit vier Abschnitten. Ein erster Abschnitt aus Baustahl weist eine Bedämpfungsgüte G1 gleich 1, ein zweiter Abschnitt aus Edelstahl weist eine Bedämpfungsgüte G2 gleich 0,7, ein dritter Abschnitt aus Messing weist eine Bedämpfungsgüte G3 gleich 0,5 und ein vierter Abschnitt aus Kupfer weist eine Bedämpfungsgüten G4 gleich 0,45 auf. Die 7a zeigt dabei eine Ausführungsform des Systems mit nur einem Markierungskörper 50, die 7b und 7c zeigen ein System mit mehreren in Umfangsrichtung angeordneten Markierungskörper 50.
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In den 6 und 7a bis 7c ist der Sensor 10 senkrecht zur Rotationsachse der Zählscheibe 40 angeordnet. Natürlich kann der Sensor 10 auch anders, insbesondere parallel zur Rotationsachse, angeordnet sein. Dann würde er beispielsweise auf die Stirnseite der Zählscheibe 40 gerichtet sein. Auch können die Markierungskörper 50 insbesondere bei einer parallelen Anordnung des Sensors 10 an der Stirnseite der Zählscheibe 40 in Umfangsrichtung angeordnet, insbesondere eingelassen sein.
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8a bis 8c zeigen eine Draufsicht der metallischen Oberfläche 49 der jeweiligen Ausführungsformen gem. den 7a bis 7c. 8a stellt die Draufsicht auf 7a, 8b auf 7b und 8c auf 7c dar. Es wird deutlich, dass sich die metallische Oberfläche 49 über die drei Abschnitte mit unterschiedlichen Bedämpfungsgüten erstreckt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sensor
- 11
- Spule
- 12
- Oszillator
- 13
- Schwellwertschalter
- 14
- Schaltendstufe
- 15
- elektromagnetisches Wechselfeld
- 16
- aktive Fläche
- 20
- Objekt
- 30
- Hysterese, Schalthysterese
- 31
- Pfeilrichtung einschalten
- 32
- Pfeilrichtung ausschalten
- 33
- Einschaltkurve
- 34
- Ausschaltkurve
- 35
- Hysterese seitliche Annäherung
- 40
- rotationssymmetrischer Körper, Zählscheibe, Welle
- 41
- Markierungskörper Stand der Technik
- 42
- Unterbrechung
- 43
- Markierungskörper nach unveröffentlichtem Stand der Technik
- 43a
- erste umfängliche Begrenzung, Fläche
- 43b
- zweite umfängliche Begrenzung, Fläche
- 44
- Rotationsachse
- 45
- Drehrichtung Uhrzeigersinn
- 46
- Drehrichtung gegen Uhrzeigersinn
- 47
- frühestmöglich erfassbare/erfasste Punkt in Drehrichtung 45 nach dem Stand der Technik
- 48
- spätestmöglich erfassbare/erfasste Punkt in Drehrichtung 45 nach dem Stand der Technik
- 49
- metallische Oberfläche
- 50
- erfindungsgemäßer Markierungskörper
- 51
- frühestmöglich erfassbare/erfasste Punkt in Drehrichtung 45
- 52
- spätestmöglich erfassbare/erfasste Punkt in Drehrichtung 45
- A1–A3
- Abschnitte des Markierungskörpers 50
- d1
- Abstand Einschalten ohne Kompensation
- d2
- Abstand Ausschalten ohne Kompensation
- d3
- Abstand Sensor-Punkt 47
- d4
- Abstand Sensor-Punkt 48
- G1, ..., Gn
- Bedämpfungsgüten
- n
- natürliche Zahl größer oder gleich 2
- S1
- Abstand Sensor-Punkt 51
- S2
- Abstand Sensor-Punkt 52
- t1, ..., tn + 1
- Zeitpunkte
- α, β
- Verdrehwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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