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Die Erfindung betrifft einen Schmierstoffverteiler mit einem magnetoresistiven Sensor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zur Überwachung eines Schmierstoffverteilers gemäß Patentanspruch 10.
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Schmierstoffverteiler der hier angesprochenen Art sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie werden häufig in Zentralschmieranlagen für Maschinen, Fahrzeuge, Bau- oder Landmaschinen zum Fördern und Verteilen von Schmierstoff aus einer Schmierstoffquelle über ein oder mehrere Leitungen an vorbestimmte Schmierstoffabnahmestellen verwendet. Hierbei wird der Schmierstoffverteiler mit unter Druck stehendem Schmiermittel beaufschlagt und das Schmiermittel durch Steuerung von Dosierkolben in Verteilerelementen des Schmierstoffverteilers dosiert abgegeben. Ein fehlerfreier Betrieb dieser Anlagen, also eine kontrolliert dosierte Verteilung und Zuführung von Schmierstoff an die einzelnen Abnahmestellen, ist dabei für den fehlerfreien Betrieb der genannten Anlagen erforderlich. Es ist also wünschenswert, den Dosierhub einzelner Verteilerelemente des Schmierstoffverteilers zu überwachen. Dies kann durch Erfassen der Position der Dosierkolben in den Verteilerelementen erfolgen.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Lösungen hierfür bekannt. Die Anforderungen an derartige Detektionssysteme sind vielfältig und umfassen neben einer erwünschten hohen Präzision eine zuverlässige Funktion unter extremen Umweltbedingungen wie tiefen und hohen Temperaturen, starken Vibrationen etc., einen geringen Stromverbrauch, sowie niedrige Kosten. In Anbetracht dieser mannigfaltigen Anforderungen werden die im Stand der Technik bekannten Detektionssysteme als vergleichsweise nachteilig empfunden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit in der Schaffung eines Schmierstoffverteilers mit der Möglichkeit, den Dosierhub präzise und zuverlässig bei geringem Energieverbrauch und geringen Herstellungskosten zu überwachen.
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Die Aufgabe wird durch einen Schmierstoffverteiler nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Überwachung desselben nach Anspruch 10 gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch einen Schmierstoffverteiler mit einem magnetoresistiven Sensor gelöst, der mindestens ein Verteilerelement mit einem Dosierkolben umfasst, der in dem Verteilerelement bewegbar ist, wobei ein Magnetsensor derart an dem Verteilerelement angebracht ist, dass die Position des Dosierkolbens in mindestens einer Position detektierbar ist, wobei der Magnetsensor die Position des Dosierkolbens unter Ausnutzung eines magnetoresistiven Effekts, insbesondere des
- – Riesenmagnetowiderstands (GMR), oder des
- – anisotropen Magnetowiderstands (AMR) oder des
- – Tunnel-Magnetowiderstands (TMR) oder des
- – außergewöhnlichen Magnetowiderstands (EMR) oder des
- – planaren Hall-Effekts
detektiert.
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Ein Kerngedanke der Erfindung besteht darin, zur Detektion einen magnetoresistiven Effekt zu nutzen. Unter magnetoresistiven Effekte werden alle Effekte verstanden, bei denen eine Änderung des elektrischen Widerstands eines Materials durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes auftritt. Der GMR-Effekt wird in Strukturen beobachtet, die aus sich abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten mit einigen Nanometern Schichtdicke bestehen. Hierbei richten sich die Magnetisierungen bei bestimmten Dicken der Zwischenschicht in entgegengesetzten Richtungen aus. Schon kleine äußere magnetische Felder reichen dann aus, um diese antiferromagnetische Ordnung wieder in die ferromagnetische Ordnung umzuschalten, was zu einer großen Änderung des elektrischen Widerstands in der Struktur führt. Der AMR-Effekt tritt in ferromagnetischen Materialien auf und beruht auf anisotroper Streuung. Die Widerstandsänderung beträgt wenige Prozent und ist schon bei schwachen Magnetfeldern nutzbar. Der TMR-Effekt wird in Bauelementen aus zwei Ferromagneten beobachtet, die durch einen dünnen Isolator getrennt sind. Ist die isolierende Schicht dünn genug, können Elektronen zwischen den beiden Ferromagneten tunneln. Der Widerstand dieses Tunnelkontakts ist abhängig von einem äußeren Magnetfeld und kann somit zur Magnetfelddetektion verwendet werden. Der EMR-Effekt zeichnet sich durch eine hohe magnetische Empfindlichkeit gegenüber sehr kurzen Magnetimpulsen aus. EMR-Sensoren bestehen aus einer Lage Halbleitermaterial und einer weiteren Lage aus elektrisch leitendem Material. Der planare Hall-Effekt ist im Gegensatz zum regulären Hall-Effekt ebenfalls ein magnetoresistiver Effekt in ferromagnetischen Materialien. Er beruht auf dem AMR-Effekt und bewirkt ebenfalls eine Widerstandsänderung in Abhängigkeit von einem angelegten Magnetfeld.
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Die Ausnutzung eines magnetoresistiven Effekts für die Detektion der Dosierkolbenposition birgt zahlreiche Vorteile. Da die Erfassung des Magnetfeldes letzten Endes über die Erfassung einer Widerstandsänderung erfolgt, kann die zugehörige elektronische Konfiguration einfach gehalten werden. Ein magnetoresistiver Sensor kann extrem kompakt und robust gebaut werden und ist relativ unempfindlich gegenüber extremen Umweltbedingungen. Die Erfassung der Position des Dosierkolbens ist mit einem magnetoresistiven Sensor präziser, stabiler und schneller als bei Anwendung mit anderen Sensortypen. Damit können mit einem erfindungsgemäßen Schmierstoffverteiler wesentlich die Kosten, sowie der Energieverbrauch im Betrieb im Vergleich zu den Lösungen mit anderen Sensortypen gesenkt werden. Zur Detektion ist es lediglich erforderlich, dass das Verteilerelement magnetisiert ist. Eine Positionsänderung des Verteilerelements bewirkt eine Änderung der Magnetfeldstärke am Sensor, die mittels magnetoresistiver Effekte einfach und zuverlässig gemessen werden kann.
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Die zu messende Position des Dosierkolbens kann hierbei eine Endposition sein, wobei die Endposition entweder einem vollständig geöffneten Zustand des Verteilerelements entspricht, in der der Dosierkolben Schmierstoff ausgibt, oder einem vollständig geschlossenen Zustand, in dem der Dosierkolben das Verteilerelement vollständig verschließt und kein Schmierstoff ausgegeben wird.
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In einer Ausführungsform ist der Magnetsensor in dem Verteilerelement integriert bzw. einstückig mit diesem ausgebildet. Dies stellt eine konstruktiv besonders einfache und robuste Lösung für die Integration des magnetoresistiven Sensors dar.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Magnetsensor in ein Gehäuse des Schmierstoffverteilers einschraubbar. Diese Lösung ermöglicht einen modularen Aufbau des Schmierstoffverteilers und bietet somit eine hohe Flexibilität. Außerdem können für den Fall, dass nicht jeder Schmierstoffkanal überwacht werden soll, mit dieser Lösung die Kosten des Schmierstoffverteilers gesenkt werden.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der Magnetsensor als Adapter ausgebildet, der an dem Verteilerelement anbringbar ist. Mit dieser Konstruktionslösung ist die Flexibilität zum Einsatz des Magnetsensors weiter erhöht.
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In einer Ausführungsform weist der Magnetsensor ein Gehäuse auf, das aus einem nicht magnetisierbaren Material gefertigt ist. So kann verhindert werden, dass magnetische Störfelder, die von einem magnetischen Gehäuse erzeugt werden, die Erfassung der Kolbenposition verfälschen. Damit werden die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit des Magnetsensors erhöht.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Magnetsensor eine Frontplatte auf, die Drücken bis zu 400 bar standhält. Diese Frontplatte ist einer Schmierstoffführung in dem Schmierstoffverteiler zugewandt. Drücke bis 400 bar werden von dem Schmiermittel in den Verteilerelementen regelmäßig erreicht. Eine entsprechende Druckfestigkeit der Frontplatte des Magnetsensors erhöht somit wesentlich die Betriebssicherheit und -stabilität des Magnetsensors.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Frontplatte magnetisch durchlässig. Dies erhöht wiederum die Detektionsempfindlichkeit und -genauigkeit.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Magnetsensor in dem Dosierkolben abgewandten Bereichen magnetisch abgeschirmt. Damit kann der Einfluss magnetischer Störfelder nochmals reduziert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Magnetsensor eine Überspannungsfestigkeit bis 40 V, bevorzugt bis 50 V, weiter bevorzugt bis 60 V auf. Zur Schaltung der Verteilerelemente werden üblicherweise Spannungen bis ca. 36 V verwendet. Außerdem können beim Schalten verschiedener Elemente hohe Peakspannungen auftreten. Weist der Magnetsensor eine ausreichend hohe Überspannungsfestigkeit auf, kann die Betriebssicherheit des Magnetsensors weiter erhöht werden. Als Überspannungsschutzlösungen sind bevorzugt eine Schutzdiode oder eine Suppressordiode oder ein Varistor verwendet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Magnetsensor eine Wheatstone’sche Messbrücke mit einem variablen Widerstand, die derart gebildet ist, dass der variable Widerstand durch ein Element gebildet ist, das einen magnetoresistiven Effekt aufweist. Mit dieser Messanordnung können kleine Widerstandsänderungen zuverlässig gemessen werden. Eine Änderung des magnetischen Feldes bei Bewegung des Dosierkolbens bewirkt eine Änderung des elektrischen Widerstandes des variablen Widerstands, die mit der Wheatstone’schen Messbrücke messbar ist. Mit dieser Messanordnung kann der Aufbau des Magnetsensors einfach gehalten werden, was zur Robustheit des Magnetsensors beiträgt und die Kosten senkt.
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Im Rahmen der Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Überwachung eines Schmierstoffverteilers mit mindestens einem Dosierkolben angegeben, das die folgenden Schritte umfasst:
- – Messen der Zeit, die der Dosierkolben sich in einer Endposition befindet;
- – Vergleichen der gemessenen Zeit mit einem vorgegebenen Zeitintervall;
- – Ausgeben einer Fehlermeldung, wenn die gemessene Zeit außerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls liegt.
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Kerngedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, die Überwachung der Schmierstoffdosierung möglichst einfach und fehlerunanfällig zu gestalten. Der im Rahmen dieser Erfindung vorgeschlagene Magnetsensor kann die Position des Dosierkolbens mit hoher Orts- und Zeitgenauigkeit erfassen. Somit kann das entsprechende Verfahren zur Überwachung eines Schmierstoffverteilers einfach gehalten werden, indem lediglich die Verweildauer des Dosierkolbens in einer Endposition erfasst wird, in der der Dosierkolben Schmierstoff ausgibt. Diese Zeit korreliert direkt mit der ausgegebenen Schmierstoffmenge, so dass durch Vergleich mit einer vorgegebenen Sollzeit aus einem Messwert sowohl überprüft werden kann, ob der Schmierstoffverteiler ordnungsgemäß funktioniert, als auch, welche Art von Fehler vorliegt. Ist die Verweildauer des Dosierkolbens in der Endposition kürzer als die vorgegebene Zeit, so kann festgestellt werden, dass eine Blockade vorliegt. Ist die gemessene Zeit des Dosierkolbens in der Endposition länger als die vorgegebene Zeit, liegt eine offene Leitung vor.
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Die Endposition kann auch einer Position entsprechen, in der der Dosierkolben verschlossen ist und kein Schmierstoff ausgegeben wird. In diesem Falle entspricht die gemessene Zeit, in der der Dosierkolben sich in der Endposition befindet, der Verschlusszeit des Dosierkolbens. Damit können Blockaden auf einfache Weise erfasst werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Schmierstoffverteiler dergestalt weitergebildet sein, dass der Magnetsensor zusätzlich magnetisch abgeschirmt ist, um den Einfluss äußerer Störfelder zu unterdrücken.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung in Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Schmierstoffverteilers mit magnetoresistiven Sensoren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
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2a eine schematische Ansicht eines Verteilerelements mit einem Kolben in seiner Anfangsposition;
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2b eine schematische Ansicht eines Verteilerelements mit einem Kolben in seiner Endposition;
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3 ein vereinfachtes Schaltbild wesentlicher Bestandteile der Sensorelektronik.
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In 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Schmierstoffverteilers 10 mit magnetoresistiven Sensoren 20 gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung gezeigt. Der Schmierstoffverteiler 10 umfasst mehrere Verteilerelemente 13, die miteinander verbunden sind. Am vorderen Ende des Schmierstoffverteilers befindet sich ein Schmierstoffeinlass 11, der mit einer Schmierstoffzuführung verbunden wird. Jedes der Verteilerelemente 13 umfasst an der Rückseite einen Schmierstoffauslass 12, an den mit Schmierstoff zu versorgende Abnahmestelle angeschlossen wird. An der Vorderseite sind verschiedene Ausführungsformen von Magnetsensoren 20 dargestellt. Der Magnetsensor 20 an dem rechten Dosierkolben 13 ist in einem Adapter integriert ausgeführt, der in den Schmierstoffverteiler 10 eingeschraubt ist. Die anderen zwei Magnetsensoren 20 zeigen kompaktere Lösungen. Der mittlere Magnetsensor 20 ist nicht als Adapter ausgeführt, sondern als kompakte Sensoreinheit, die ebenfalls in den Schmierstoffverteiler 10 eingeschraubt ist. Der linke Magnetsensor 20 ist integral mit dem Schmierstoffverteiler 10 ausgebildet und stellt die kompakteste, robusteste und zuverlässigste Ausführungsform dar.
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In 2a und 2b sind schematische Ansichten eines einzelnen Verteilerelements 13 gezeigt. Der prinzipielle interne Aufbau solcher Verteilerelemente 13 ist bekannt, so dass auf detaillierte Darstellungen der Schmierstoffführung hier verzichtet wird. Im Wesentlichen ist ein Verteilerelement 13 des Schmierstoffverteilers 10 so aufgebaut, dass ein Schmiermittelkanal in dem Verteilerelement 13 bei Druckbeaufschlagung bis zum Anschlag eines Kolbens mit Schmiermittel gefüllt wird. Der Aufbau kann hierbei beispielsweise zweistufig ausgeführt sein, also zwei Kolben umfassen. Durch Steuern des Kolbens oder der Kolben in dem Schmiermittelkanal kann der Auslass des Schmiermittels dosiert erfolgen. In der schematischen Ansicht der 2a und 2b ist ein Schmiermittelkanal 15 gezeigt, in dem sich ein Dosierkolben 14 befindet. Die in 2a gezeigte Stellung des Dosierkolbens 14 ist eine Anfangsposition, in der der Dosierkolben 14 den Schmiermittelkanal 15 verschließt und kein Schmiermittel gefördert wird. Die in 2b gezeigte Stellung zeigt eine Endposition des Dosierkolbens 14, bei der der Schmiermittelkanal 15 geöffnet ist und Schmiermittel durch das Verteilerelement 13 strömen kann. Der Magnetsensor 20 ist auf der Bewegungsachse des Dosierkolbens 14 an dem Verteilerelement 13 angebracht bzw. mit diesem einstückig ausgebildet. Das Gehäuse des Magnetsensors 20 ist aus einem nicht magnetisierbaren Material gefertigt. An einer Außenwand des Magnetsensors 20, die Teil der Außenwand des Dosierkolbens 13 ist, kann der Magnetsensor 20 zusätzlich magnetisch abgeschirmt sein, um den Einfluss äußerer Magnetfelder zu unterdrücken. An der dem Schmiermittelkanal 15 zugewandten Seite weist der Magnetsensor eine Frontplatte 21 auf, die ebenfalls aus einem nicht magnetisierbaren Material gefertigt ist. Das Material und die Dicke der Frontplatte 21 sind so gewählt, dass die Frontplatte Schmiermitteldrücken bis 400 bar standhält.
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Der Dosierkolben 14 selbst ist magnetisiert oder umfasst einen Permanentmagneten. Damit ist die Magnetsensor-Anordnung magnetisch „vorgespannt“. Befindet sich der Dosierkolben 14 in der in 2a gezeigten Anfangsposition, ist das Magnetfeld an dem Magnetsensor 20 schwächer, als wenn der Dosierkolben 14 sich in der in 2b gezeigten Endposition befindet. Diese Magnetfeldänderung kann von dem Magnetsensor 20 erfasst werden. Somit ist auf einfache Weise detektierbar, ob das Verteilerelement 13 aktuell Schmiermittel ausgibt oder nicht.
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Die Anfangs- und Endposition des Dosierkolbens 14 können in einer (nicht gezeigten) Ausführungsform auch vertauscht sein, so dass in der Anfangsposition des Dosierkolbens 14 der Schmiermittelkanal 15 geöffnet ist und in einer Endposition des Dosierkolbens 14 der Schmiermittelkanal 15 verschlossen ist. Mit der Detektion mittels des erfindungsgemäßen Magnetsensors 20 kann auch bei dieser Anordnung unterschieden werden, ob das Verteilerelement 13 aktuell Schmiermittel ausgibt oder nicht.
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Der prinzipielle elektronische Aufbau des Magnetsensors 20 ist in 3 gezeigt. Der Magnetsensor 20 ist im Wesentlichen als Wheatstone’sche Messbrücke konfiguriert. Die Schaltung umfasst drei Widerstände 23a, 23b, 23c mit bekanntem Widerstandswert, sowie ein magnetoresistives Element 22, der einen variablen Widerstand bildet. Die drei Widerstände 23a, 23b, 23c und das magnetoresistive Element 22 sind zu einem geschlossenen Ring bzw. zu einem Quadrat zusammengeschaltet, wobei in einer Diagonale eine Spannungsquelle 24 geschaltet ist und in der anderen Diagonalen eine Messvorrichtung 25, in diesem Falle ein Spannungsmessgerät.
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Die Widerstände 23b und 23c, sowie der Widerstand 23a und das magnetoresistive Element 22 bilden jeweils einen Spannungsteiler, wobei die beiden Spannungsteiler zueinander parallel liegen. Besteht zwischen den Spannungsteilern ein Spannungsunterschied, so wird an der Messvorrichtung 25 eine Spannung gemessen, deren Abhängigkeit von der Spannung der Spannungsquelle 24 von den vier Widerstandselementen 23a, 23b, 23c, 22 abhängt. Ändert sich der Widerstand des magnetoresistiven Elements 22, so verändert sich die an der Messvorrichtung 25 gemessene Spannung. Somit kann die Position des Dosierkolbens 14 auf einfache Weise bei geringem Stromverbrauch gemessen werden.
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Um in dem Magnetsensor 20 einen Überspannungsschutz bereitzustellen, ist in der Schaltung zusätzlich ein (nicht gezeigtes) Überspannungsschutzelement wie beispielsweise eine Schutzdiode, eine Suppressordiode oder ein Varistor verschaltet. Damit ist der Magnetsensor 20 gegen auftretende Spannungspeaks beim Schalten des Dosierkolbens 14, gegen Spannungspeaks von extern oder Ähnlichem geschützt.
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Mit dem beschriebenen Schmierstoffverteiler 10 lassen sich Schmiervorgänge in einfacher Art und Weise überwachen und steuern. Mit dem Magnetsensor 20 wird die Zeit gemessen, während der sich der Dosierkolben 14 nach einem Schmierstart in seiner Endposition befindet. Diese Zeit wird mit in einer Steuerung gespeicherter Überwachungszeit verglichen, um die Funktionsweise des kompletten Schmiersystems bewerten und überwachen zu können. Liegt die gemessene Zeit innerhalb eines Akzeptanzintervalls um die gespeicherte Überwachungszeit, wird der Schmierzyklus als erfolgreich durchgeführt gewertet. Nach einem erfolgreich durchgeführten Schmierzyklus wird die abgelaufene Zeit zurückgesetzt und mit nächstem Schmierzyklus neu gestartet.
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Zur Fehlerauswertung sind nun zwei Fehlerzustände denkbar. Ist die gemessene abgelaufene Zeit beim Zyklusende kürzer als in der Steuerung gespeicherte minimale Zeit als Schwellwert, wird eine Fehlermeldung „Blockade“ ausgegeben. Ist die gemessene abgelaufene Zeit länger als in der Steuerung gespeicherte Überwachungszeit, wird eine Fehlermeldung „Offene Leitung“ ausgegeben. Um diese Steuerung und Fehlerdetektion verwenden zu können, muss die Endposition des Dosierkolbens 14 mit hoher Präzision, sowohl hinsichtlich der Position als auch hinsichtlich der Zeit, gemessen werden. Der hier vorgeschlagene magnetoresistive Magnetsensor 20 kann die Position des Dosierkolbens 14 mit hoher Genauigkeit detektieren und hat darüber hinaus eine schnelle Reaktionszeit ohne ausgeprägte Hysterese. Somit erfüllt der beschriebene Schmierstoffverteiler 10 die genannten Anforderungen bei gleichzeitig niedrigen Herstellungs- und Betriebskosten.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schmierstoffverteiler
- 11
- Schmierstoffeinlass
- 12
- Schmierstoffauslass
- 13
- Verteilerelement
- 14
- Dosierkolben
- 15
- Schmiermittelkanal
- 20
- Magnetsensor
- 21
- Frontplatte
- 22
- magnetoresistives Element
- 23a, 23b, 23c
- Widerstände
- 24
- Spannungsquelle
- 25
- Messvorrichtung
