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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung für
einen Wegsensor. Außerdem betrifft
die Erfindung einen Hydraulikventilanordnung, in welcher ein herkömmliches
magnetisch betätigtes Hydraulikventil
(auch Hydraulikmagnet genannt) mit einer derartigen Schaltungsanordnung
kombiniert ist. Schließlich
bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf ein Verfahren zum
Betreiben eines Wegsensors. Der im Zusammenhang mit der Erfindung
verwendete Wegsensor umfasst zwei parallel zu einer Bewegungsachse
angeordnete Magnetfeldsensoren, deren Sensorspannungen zu einem
Ausgangssignal verknüpft
werden, wobei die zugeordnete Schaltungsanordnung einen zweipoligen
Betriebsspannungsanschluss, einen Schaltausgang und einen Sensorausgang
besitzt.
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Zur Steuerung von hydraulischen Vorrichtungen
werden häufig
sogenannte Hydraulikventile eingesetzt, die von einem Elektromagneten
angetrieben werden. Durch unterschiedliche Bestromung der Magnetspulen
kann das längs
einer Bewegungsachse verschiebbare Stellglied des Hydraulikventils
in unterschiedliche Positionen gebracht werden, um die Durchflussmenge
der Hydraulikflüssigkeit
in gewünschter
Weise zu beeinflussen. Um eine exakte Steuerung des Hydraulikventils
zu ermöglichen, muss
die jeweilige Ankerstellung des elektromagnetischen Stellantriebs überwacht
werden, wozu Wegsensoren eingesetzt werden. Es ist bekannt, für solche
Messzwecke Differenztransformatorwandler oder Differenzdrosselwandler
einzusetzen. Diese sind jedoch nur begrenzt miniaturisierbar und
aufgrund der notwendigen Messspulen in der Herstellung relativ teuer.
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Aus der
DE 38 03 293 A1 ist ein
magnetisch betätigter
analoger elektrischer Wegaufnehmer für geradlinige Bewegungen bekannt.
Dieser verwendet zwei Hall-Sensoren, deren Hall-Spannungen durch Differenzbildung zu
einem analogen elektrischen Ausgangssignal verknüpft werden, welches repräsentativ
für die
Position eines Dauermagneten ist, welcher auf der Bewegungsachse
parallel zu den beiden Hall-Sensoren verschoben wird.
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Soweit der aus der
DE 38 03 293 A1 bekannte
Wegaufnehmer als Wegsensor beispielsweise an Pneumatik- oder Hydraulikzylindern
verwendet werden soll, muss eine zusätzliche Schaltungsanordnung
vorgesehen sein, die den Betrieb der Hall-Sensoren ermöglicht.
In der Regel ist insbesondere bei kleinen Wegsensoren eine hohe
Genauigkeit gefordert, sodass die Magnetfeldsensoren mit hoher mechanischer
Präzision
an der Messstrecke angebracht werden müssen. Außerdem besteht das besondere Problem,
dass die Magnetfeldsensoren ein stark nichtlineares Ausgangssignal
liefern, wodurch die Verarbeitung in nachfolgenden Steuersystemen
erschwert wird. Generell ist es in diesem Zusammenhang bekannt,
dass nichtlineare Sensoren kalibriert werden können, um die Genauigkeit zu
verbessern und ein weitgehend lineares Ausgangssignal bereit zu
stellen.
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Wenn eine den Magnetfeldsensoren
zugeordnete Schaltungsanordnung neben der Bereitstellung des Messsignals
auch die Kalibrierung der Sensoren ermöglichen soll, sind zusätzliche
Bauelemente und zumindest weitere Anschlusspunkte erforderlich, über welche
externe Programmierungs- und Steuerungssignale eingeprägt werden
können.
Dazu werden zusätzliche
Steckverbinder oder dergleichen benötigt, durch welche die Baugröße der häufig miniaturisierten
Geräte
(z.B. Hydraulik magnete) teilweise erheblich vergrößert wird
und durch welche die Gesamtkosten dieser Geräte ansteigen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
somit darin, eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines mit zwei
Magnetfeldsensoren ausgerüsteten
Wegsensors bereitzustellen, die eine elektronische Kalibrierung
und Linearisierung des Wegsensors ermöglicht, ohne das dafür zusätzliche Anschlusselemente
für eine
Verbindung der Schaltungsanordnung mit einem externen Servicegerät benötigt werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hydraulikventilanordnung
bereit zu stellen, bei welchem eine derartige Schaltungsanordnung
mit einem Hydraulikventil gekoppelt ist und welche auf diese Weise
eine Reduzierung des für den
Wegsensor erforderlichen Bauraums ermöglicht.
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Diese und weitere Aufgaben werden
von der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
erfüllt, deren
erfindungswesentliche Merkmale im angefügten Anspruch 1 angegeben sind.
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Der Vorteil der Einbindung eines
Mikroprozessors, welcher in einem Messmodus und einem Programmiermodus
betrieben werden kann, besteht hauptsächlich darin, dass die Magnetfeldsensoren kalibriert
werden können,
ohne das dafür
zusätzliche Steckverbinder
am Wegsensor erforderlich sind. Die Umschaltung zwischen den Betriebsmodi
des Mikroprozessors wird dabei von einem Umschaltelement initiiert,
welches das Spannungspotential am Sensorausgang und/oder am Schaltausgang überwacht und
ein entsprechendes Umschaltsignal an den Mikroprozessor liefert.
Dadurch wird es möglich,
durch Einprägen
eines Spannungssignals an einem dieser beiden Ausgänge den
Mikroprozessor in den Programmiermodus zu versetzen, in welchem
der Schaltausgang und der Sensorausgang zur Abwicklung einer bidirektionalen
Datenkommunikation nutzbar gemacht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird
das Umschaltelement durch einen Spannungsteiler gebildet, der im
Falle des Anliegens eines Umschaltpotentials ein Umschaltsignal
generiert und an einen weiteren Analog/Digital-Wandlereingang des Mikroprozessors
liefert. Der Mikroprozessor ist dabei so programmiert, dass er das
Umschaltsignal an diesem Wandlereingang beispielsweise während einer Initialisierungsroutine
erkennt und daraufhin den geforderten Betriebsmodus einnimmt.
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Eine weitergebildete Ausführungsform
zeichnet sich dadurch aus, dass vom Umschaltelement ein zweistufiges
Umschaltsignal generiert werden kann, sodass der Programmiermodus
in einen Kalibrierungsmodus und einen Kommunikationsmodus unterteilt
wird, in denen der Mikroprozessor unterschiedliche Aufgaben erfüllt.
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Vorzugsweise ist die Schaltungsanordnung mit
einem vierpoligen Steckanschluss ausgerüstet, über welchen die Ankopplung
an ein externes Servicegerät
vorgenommen wird. Über
zwei Anschlusspole wird die Betriebsspannung in allen Betriebsmodi bereitgestellt.
Die verbleibenden beiden Anschlusspole werden im Messmodus als Schaltausgang
und Sensorausgang betrieben, während
im Programmiermodus der Schaltausgang zur Übertragung eines Taktsignals
und der Sensorausgang zur Übertragung
von Daten verwendet wird.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann
besonders vorteilhaft in einer Hydraulikventilanordnung verwendet
werden. Dadurch wird es möglich,
Magnetfeldsensoren zur Erfassung der Position des Stellgliedes einzusetzen,
wobei diese Sensoren kalibriert werden können und gleichzeitig eine Linearisierung
des Ausgangssignals möglich
ist, ohne das dafür
zusätzliche
Steckeranschlüsse
oder dergleichen an der Hydraulikventilanordnung erforderlich wären, sodass
die gewünschte
Baugröße eines
mit der Schaltungsanordnung ausgerüsteten Hydraulikventils trotz
verbesserter Sensortechnik beibehalten werden kann.
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Als besonders vorteilhaft erweist
sich die Verwendung von Hall-Sensoren als Magnetfeldsensoren. Im
nachfolgenden wird die Erfindung daher auch in Bezug auf den Einsatz
solche Hall-Sensoren beschrieben. Es ist aber darauf hinzuweisen,
dass auch andere Sensoren, wie z.B. magnetoresistive Sensoren verwendet
werden können.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und
Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung
für einen
Wegsensor;
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2 ein
vereinfachter Programmablaufplan der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung;
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3 ein
Blockschaltbild eines externen Servicegeräts, welches der Programmierung
der in 1 dargestellten
Schaltungsanordnung dient;
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4 eine
vereinfachte Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Hydraulikventilanordnung mit
zwei Hall-Sensoren.
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1 zeigt
ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1 zum
Betrieb eines Wegsensors. Als Sensorelemente umfasst die Schaltungsanordnung
zwei Hall-Sensoren 2, die ihre Hall-Spannungen an einen
Mikroprozessor 3 bereitstellen. Der Mikroprozessor 3 empfängt die
Hall-Spannungen an einem ersten Analog/Digital-Wandlereingang 4
und an einem zweiten Analog/Digital-Wandlereingang 5. Wenn wie im
dargestellten Beispiel als Mikroprozessor ein PIC 16C717 verwendet
wird, enthält
die Schaltungsanordnung weiterhin einen Oszillator 6, der
ein Taktsignal an den Mikroprozessor liefert. Bei anderen Ausführungsformen
könnte
die Taktgenerierung auch im Mikroprozessor integriert sein. Ebenso
ist bei der dargestellten Ausführungsform
ein separates Speicherelement 7 vorgesehen, in welchem
Daten und Programmbefehle abgelegt werden können. Vorzugsweise wird als
Speicherelement ein EEPROM verwendet, der mit dem Mikroprozessor 3 kommuniziert.
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Der Anschluss der Schaltungsanordnung
erfolgt über
einen Sensoranschluss 10, welcher beispielsweise als vierpoliger
Steckverbinder ausgebildet ist. Der Steckverbinder 10 umfasst
zwei Betriebsspannungsanschlüsse 11, über welche
die Schaltungsanordnung mit der benötigten Betriebsspannung versorgt
wird, beispielsweise 24 Volt Gleichspannung. Außerdem umfasst der Sensorsteckverbinder 10 einen
Schaltausgang 12 zur Abgabe eines Schaltsignals und einen
Sensorausgang 13, an welchem ein Sensorsignal bereitgestellt
wird. Prinzipiell könnten
als Verbindungselement auch ein Schraubanschluss, vier einzelne
Kontaktstifte oder ähnliche Kontaktelemente
verwendet werden.
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Zweckmäßigerweise enthält die Schaltungsanordnung 1 einen
Spannungsregler 15, der die benötigten Betriebsspannungen an
den Mikroprozessor und die sonstigen Bauteile der Schaltungsanordnung in
der gewünschten
Qualität
bereitstellt.
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Die gesamte Schaltungsanordnung 1 und insbesondere
der Mikroprozessor 3 können
in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden, deren Funktion
und Arbeitsweise nachfolgend erläutert wird.
Die an sich bekannte Funktion eines Wegsensors wird von der Schaltungsanordnung
im Messmodus wahrgenommen. Die beiden Hall-Sensoren 2 sind
dazu parallel zu einer Bewegungsachse angeordnet, auf welcher ein
Dauermagnet bewegt wird, dessen Position auf der Bewegungsachse
von den Hall-Sensoren
erfasst werden soll (vgl. 4).
Die in Abhängigkeit
von der Position des Dauermagneten von den Hall-Sensoren 2 erzeugte
Hall-Spannung wird als analoges Signal an die Analog/Digital-Wandlereingänge 4,
5 des Mikroprozessors 3 geliefert. Der Mikroprozessor 3 generiert
aus den beiden Hall-Spannungen ein Ausgangssignal, beispielsweise
indem die Differenz aus den Absolutwerten der beiden Hall-Spannungen
gebildet wird. Dieses ermittelte Ausgangssignal wird gegebenenfalls
vom Mikroprozessor in Abhängigkeit
von der jeweiligen Programmierung weiter bearbeitet und an einem
Kommunikationspin 17 abgegeben. Das Ausgangssignal durchläuft bei
der dargestellten Ausführungsform nachfolgend
einen RC-Filter 18 und einen Ausgangsverstärker 19,
welcher dann das Sensorsignal am Sensorausgang 13 bereitstellt.
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In vielen Anwendungsfällen ist
es wünschenswert,
wenn neben dem quasi-kontinuierlichen Sensorsignal weiterhin ein
Schalt signal generiert wird, sobald die ermittelte Wegposition einen
vorbestimmten Schwellwert erreicht. In einfachen Fällen kann
die vorbestimmte Position die Endlage des beweglichen Dauermagneten
sein. Durch eine entsprechende Programmierung (siehe unten) kann
der Schwellwert jedoch auch an einer beliebigen anderen Stelle der
Bewegungsstrecke definiert werden. Das Schaltsignal wird ebenfalls
vom Mikroprozessor 3 generiert und an einem Schaltpin 20 abgegeben. Durch
einen nachfolgenden Operationsverstärker 21 und gegebenenfalls
einen Schalttransistor 22 wird die Signalcharakteristik
auf die gewünschten
Werte eingestellt, sodass das Schaltsignal letztlich am Schaltausgang 12 zur
Verfügung
steht.
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Um die Nichtlinearitäten der
Hall-Sensoren auszugleichen und gegebenenfalls Montageungenauigkeiten
zu berücksichtigen,
ist eine Kalibrierung des Wegsensors erforderlich. Dies kann durch
Aufnahme der Kennlinie des Sensors und Generierung entsprechender
Ausgleichswerte geschehen. In an sich bekannter Weise wird dazu
eine so genannte Look-Up-Tabelle erzeugt, die im Speicherelement 7 abgelegt
wird. Ebenso ist es gewünscht,
die Sensorcharakteristik an die jeweiligen Anwendungsfälle anzupassen,
indem die Sensorkennlinie durch externe Vorgaben beeinflusst werden
kann. Um diese Funktionen zu realisieren kann der Mikroprozessor
in einen Programmiermodus versetzt werden, der beispielsweise wiederum
in einen Kalibrierungsmodus und einen Kommunikationsmodus unterteilt
ist. Diese beiden Submodi unterscheiden sich nur hinsichtlich der
Funktionen und Programmabläufe,
die vom Mikroprozessor realisiert werden, wobei die generellen Funktionen
dem Fachmann bekannt sind und hier nicht detailliert erläutert werden.
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Vorzugsweise wird der Mikroprozessor
so programmiert, dass die folgenden Funktionen von der Sensorsoftware
ausgeführt
werden können:
- – Kennlinienkorrektur
- – Spannungskalibrierung
- – Stützstelleninterpolation
- – Definition
von Schaltpunkten
- – Korrektur
des Messbereichs (Spreizung)
- – Kommunikation
mit einem Servicegerät.
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Damit die Schaltungsanordnung den
Programmiermodus auch im komplett montierten Zustand einnehmen kann,
muss die Initialisierung des Programmiermodus und die Kommunikation
mit einem externen Servicegerät über den
zur Verfügung stehenden
vierpoligen Sensorsanschluss 10 ermöglicht werden. Dazu wird während einer
Initialisierungsroutine ein Umschaltpotential von außen an dem
Sensorausgang 13 eingeprägt. Das Umschaltpotential wird
von einem Spannungsteiler 23 bearbeitet und als Umschaltsignal
an einen Betriebsartwahleingang 24 des Mikroprozessors 3 gelegt,
welcher im dargestellten Beispiel als dritter Analog/Digital-Wandlereingang
ausgebildet ist.
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In 2 ist
ein Programmablaufplan dargestellt, in welchem die wichtigsten Schritte
angegeben sind, die vom Mikroprozessor 3 im jeweiligen
Betriebsmodus ausgeführt
werden. Das vorzugsweise durch eine entsprechende Software realisierte
Verfahren startet im Schritt 30. Im Schritt 31 werden aus dem Speicherelement
(EEPROM) die dort abgelegten Daten eingelesen, insbesondere die
Look-Up-Tabelle. In gleicher Weise werden die Kalibrierwerte im Schritt
32 eingelesen. Während
dieses Initialisierungsabschnittes prüft der Mikroprozessor, ob an
die Schaltungsanordnung 1 über den Sensorsteckverbinder 10 ein
Steuer- oder Servicegerät
angeschlossen ist, was im Schritt 33 durch Abfrage des Spannungspotentials
am Sensorausgang 13 realisiert wird. Für den Fall, dass kein Servicegerät angeschlossen
ist, setzt der Mikroprozessor seine Arbeitsweise im Messmodus fort,
welcher im Schritt 34 startet. Innerhalb des Messmodus werden beispielsweise
im Schritt 35 die von den Hall-Sensoren gelieferten Werte eingelesen
und im Schritt 36 das Sensorsignal über den Sensorausgang 13 an
die nachgeordneten Schaltungseinheiten ausgegeben.
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Stellt der Mikroprozessor hingegen
im Schritt 33 fest, das ein Umschaltpotential am Sensorausgang 13 anliegt,
tritt er in den Programmiermodus im Schritt 37 ein. Der Programmiermodus
ist wiederum in mehrere Unterroutinen aufgeteilt, in denen beispielsweise
im Schritt 38 neue Daten in das Speicherelement geschrieben werden
oder im Schritt 39 für
eine Kalibrierung die Hall-Sensoren ausgelesen werden und eine Spannungskalibrierung
erfolgt.
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Im Programmiermodus ist eine Kommunikation
zwischen der Schaltungsanordnung 1 und einem Servicegerät 40 erforderlich,
dessen Blockschaltbild in 3 dargestellt
ist. Wie bereits erläutert
wurde, wird zur Initialisierung des Programmiermodus ein Spannungspotential
am Sensorausgang 13 angelegt, wobei der Sensorausgang 13 nachfolgend
zur bidirektionalen Übertragung
digitaler Daten verwendet wird, die dem Mikroprozessor 3 am
Kommunikationspin 17 eingespeist werden. Damit eine sichere Datenkommunikation
durchgeführt
werden kann, ist zur Synchronisation ein Kommunikationstakt erforderlich,
der zwischen der Schaltungsanordnung und dem Servicegerät über den
Schaltausgang 12 ausgetauscht wird. Zur Kommunikation zwischen
der Schaltungsanordnung 1 und dem Servicegerät 40 ist somit
wiederum nur der vierpolige Sensoranschluss 10 erforderlich.
Weitere Anschlussstifte werden nicht benötigt.
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Im Servicegerät 40 wird ein weiterer
Mikroprozessor 41 verwendet, wobei vorzugsweise ein PIC
16C876 eingesetzt wird. Über
einen Synchronisierungspin 42 erhält der Mikroprozessor 41 des
Servicegeräts
das Taktsignal von der Schaltungsanordnung 1, wobei in
diesem Fall die Schaltungsanordnung des Wegsensors als Master-Gerät arbeitet.
Bei anderen Ausführungsformen
könnte
die Master-Funktion auch vom Servicegerät übernommen werden.
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Von einem Modusblock 43 wird
das benötigte
Umschaltpotential an den Sensorausgang 13 geliefert, um
zwischen den Betriebsmodi umzuschalten. Über eine serielle Schnittstelle 44 kann
eine Anbindung an einen externen Personalcomputer 45 erfolgen.
Vorzugsweise läuft
auf diesem Personalcomputer 45 eine Software ab, die dem
Bediener eine komfortable Bedienoberfläche bereit stellt, um über einfache
Befehle die entsprechenden Funktionen des Servicegeräts 40 zu
steuern und damit letztlich eine Programmierung der Schaltungsanordnung 1 vornehmen
zu können.
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4 zeigt
eine vereinfachte Schnittdarstellung einer Hydraulikventilanordnung 50,
welche neben dem eigentlichen Hydraulikventil eine Schaltungsplatine
enthält
(nicht dargestellt), auf der die Schaltungsanordnung 1 für den Wegsensor
realisiert ist. Das Hydraulikventil besitzt ein Stellglied 51,
welches entlang einer Bewegungsachse 52 verschiebbar angeordnet
ist. Um die Durchflussmenge von Hydraulikflüssigkeit zu steuern, wird das
Stellglied 51 verschoben, wobei die Antriebskraft von einer
Elektrospule 53 geliefert wird. Ein Dauermagnet 54 ist mechanisch
mit dem Stellglied 51 gekoppelt, sodass der Dauermagnet
ebenfalls entlang der Bewegungsachse 52 verschoben wird
und seine Position repräsentativ
für die
Position des Stellgliedes ist. Die Position des Dauermagneten 54 wird
von den beiden Hall-Sensoren 2 ermittelt, die ebenfall
im Gehäuse der
Hydraulikventilanordnung positioniert sind. Schließlich umfasst
die Hydraulikventilanordnung den Sensoranschluss 10 mit
den bereits beschriebenen Kontakten 11, 12, 13.
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Durch die oben erläuterte Schaltungsanordnung
wird es erfindungsgemäß möglich, einen Wegsensor
mit geringer Baugröße in das
Hydraulikventil zu integrieren, wobei die geforderten Genauigkeiten
und Linearitäten
durch eine Kalibrierung des Wegsensors ermöglicht werden. Die Gesamtbaugröße des Hydraulikventils
wird nicht durch zusätzliche Anschlusselemente
vergrößert, da
die Programmierung der Schaltung über denselben vierpoligen Sensoranschluss
realisiert werden kann, der im Messmodus für das Auslesen der Sensorsignale
benötigt wird.
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Obwohl die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
im Zusammenhang mit einem Hydraulikventil näher erläutert wurde, wird der Fachmann
ohne weiteres erkennen, dass eine solche Schaltungsanordnung generell
zum vorteilhaften Betrieb von Wegsensoren eingesetzt werden kann,
welche Hall-Sensoren nutzen. Mit derartigen Wegsensoren können auch
andere Mess- und Überwachungsaufgaben
gelöst
werden.
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- 1 –
- Schaltungsanordnung
für den
Wegsensor
- 2 –
- Hall-Sensoren
- 3 –
- Mikroprozessor
- 4 –
- erster
Analog/Digital-Wandlereingang
- 5 –
- zweiter
Analog/Digital-Wandlereingang
- 6 –
- Oszillator
- 7 –
- Speicherelement
- 10 –
- Sensoranschluss
- 11 –
- Betriebsspannungsanschluss
- 12 –
- Schaltausgang
- 13 –
- Sensorausgang
- 15 –
- Spannungsregler
- 17 –
- Kommunikationspin
- 18 –
- RC-Filter
- 19 –
- Ausgangsverstärker
- 20 –
- Schaltpin
- 21 –
- Operationsverstärker
- 22 –
- Schalttransistor
- 23 –
- Spannungsteiler
- 24 –
- Betriebsartwahleingang
- 40 –
- Servicegerät
- 41 –
- Mikroprozessor
des Servicegerätes
- 42 –
- Synchronisierungspin
- 43 –
- Modusblock
- 44 –
- serielle
Schnittstelle
- 45 –
- Personalcomputer
- 50 –
- Hydraulikventilanordnung
- 51 –
- Stellglied
- 52 –
- Bewegungsachse
- 53 –
- Elektrospule
- 54 –
- Dauermagnet