DE19514891A1 - Positionsmeßstrecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßstrecke mit einer als Meßspule ausgebildeten, langgestreckten Sekundärspule, an de­ ren Endbereichen jeweils gegensinnig mit einer Wechselspannung beaufschlagbare Primärspulen angeordnet sind, und mit einem entlang der Sekundärspule verschiebbaren Permanentmagneten

Derartige Positionsmeßstrecken sind im Handel als sogenannte PLCD-Wegmeßsysteme (Permanentmagnetic Linear Contactless Dis­ placement Sensor) erhältlich und werden beispielsweise von der Firma VAC vertrieben. Derartige Positionsmeßstrecken werden oft nur an einem lokal begrenzten Bereich beispielsweise einer Kolben-Zylinder-Anordnung angebracht, um in diesem begrenzten Bereich die Position des Kolbens zu erfassen. Die Länge der Positionsmeßstrecke kann daher durchaus kleiner sein als die des Kolbenhubs oder eines sonstigen bewegbaren Elements, an dem der Permanentmagnet angeordnet ist. Ein Problem besteht nun darin, daß an den Rändern der Positionsmeßstrecke Störun­ gen und Abweichungen von der ansonst vorliegenden Linearität auftreten, die unerwünscht sind. Weiterhin besteht das Pro­ blem, daß bei einer Mittenposition des Permanentmagneten zwi­ schen den Primärspulen ein Sensorsignal 0 vorliegt, wie dies auch außerhalb der Meßstrecke der Fall ist. Das Meßergebnis ist insoweit nicht eindeutig.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die eingangs genannte Positionsmeßstrecke so zu verbessern, daß eine Mehrdeutigkeit des Meßergebnisses vermieden und Meßwerte außerhalb des linearen Bereichs der Meßstrecke unbeachtet bleiben können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Magnetfeldsensoren zwischen den Primärspulen im Bereich der Sekundärspule und in Längsrichtung beabstandet von deren Enden angeordnet sind, und daß eine mit den Magnetfeldsensoren ver­ bundene, ein Meßsignal an der Sekundärspule nur bei einer Po­ sition des Permanentmagneten zwischen den Magnetfeldsensoren als Positionssignal wertende elektronische Bereichserkennungs­ einrichtung vorgesehen ist.

Durch die Bereichserkennungseinrichtung kann erkannt werden, ob sich der Permanentmagnet zwischen den Magnetfeldsensoren oder außerhalb dieses Bereichs befindet. Nur bei einer Posi­ tion innerhalb dieses Bereichs wird das Meßsignal als Positi­ onssignal gewertet. Dadurch werden zum einen die nicht line­ aren Randbereiche der Meßstrecke ausgeblendet und zum anderen kann die Mittenposition des Permanentmagneten zwischen den Primärspulen in eindeutiger Weise als solche erkannt werden. Diese Anordnung ermöglicht daher den Einsatz solcher Positi­ onsmeßstrecken an Teilstrecken eines sich bewegenden Elements, beispielsweise eines Kolbens in einem Zylinder, dessen Posi­ tion nur im Bereich der Positionsmeßstrecke exakt erfaßt wer­ den soll. Durch den Permanentmagneten wird dadurch nicht nur das Meßsignal erzeugt, sondern gleichzeitig die Begrenzung des Meßbereichs erfaßt. Der Einsatz von gegenüber der gesamten Be­ wegungsstrecke kürzeren Wegmeßsystemen führt zu einer Kosten-, Gewichts- und Volumenreduktion. Da die Länge des Wegmeßsystems nicht an die Länge der Gesamtbewegungsbahn angepaßt werden muß, wird auch die Flexibilität des Einsatzes erhöht. Mehrere solcher Positionsmeßstrecken können auch an gewünschten Teil­ strecken der gesamten Bewegungsbahn angeordnet werden. So eig­ net sich eine solche Positionsmeßstrecke beispielsweise zur Ist-Wert-Erfassung bei der Endlagendämpfung eines Kolbens.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im An­ spruch 1 angegebenen Positionsmeßstrecke möglich.

Die Sekundärwicklung und die Primärwicklungen sind zweckmäßi­ gerweise aufeinander oder nebeneinander auf einem weichen, ma­ gnetischen, langgestreckten Sensorkern angeordnet, der neben seiner Auswirkungen auf das Magnetfeld auch gleichzeitig als Halterung für die Wicklungen dient.

Zum Schutz der wenigstens aus den Spulen und dem Sensorkern bestehenden Anordnung ist diese in vorteilhafter Weise von ei­ nem Spulengehäuse aus elektrisch isolierendem Material umge­ ben.

Um ein autarkes, komplettes Meßstreckenelement zu erhalten, ist zweckmäßigerweise eine wenigstens die Auswerteschaltung für das sekundärseitige Meßsignal enthaltende Auswerteplatine entlang der Spulen angeordnet. Zusätzlich können die beiden Magnetfeldsensoren an einer wenigstens einen Teil der Be­ reichserkennungseinrichtung tragenden Sensorplatine angeordnet sein. Damit sind auch die elektronischen Komponenten in der Meßstrecke integriert, die somit eine kompakte und komplette Baueinheit darstellt. Ein wenigstens eine Platine und die in einem Spulengehäuse angeordnete Spule enthaltendes Außenge­ häuse wird mit einer Vergußmasse ausgegossen, um zum einen die räumliche Anordnung der Komponenten gegenseitig zu fixieren, und um eine wasser- und stoßgeschützte, kompakte Baueinheit zu erzielen.

Die Sekundärspule ist in vorteilhafter Weise mit einem Abtast- und Haltekreis verbunden, der von einer Impulserzeugerstufe synchron zu den primärseitigen Erregersignalen getriggert wird. Hierdurch erhält man bei einer Position des Permanentma­ gneten in der einen Hälfte der Meßstrecke positive und in der anderen Hälfte negative Signale, die sich leicht voneinander unterscheiden lassen. Ein die im Abtast- und Haltekreis fest­ gehaltenen Signale in eine dazu proportionalen Strom umset­ zende Umsetzstufe wird zweckmäßigerweise dann vorgesehen, wenn ein positionsabhängiger Ausgangsstrom für die Auswertung er­ forderlich ist. Bei einer Anordnung der Positionsmeßstrecke an der Außenseite eines Zylinders wird der Permanentmagnet zweck­ mäßigerweise am im Zylinderraum bewegbaren Kolben fixiert. Bei einem relativ zur Zylinderwandung verdrehbaren Kolben eignet sich hierzu vor allem ein Ringmagnet.

Als Magnetfeldsensoren eignen sich bistabile Sensoren, insbe­ sondere Hall-Sensoren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine Positionsmeßstrecke als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung gemäß der Schnittlinie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 ein Signaldiagramm zur Erläuterung des Auswertesi­ gnals auf der einen Hälfte der Meßstrecke,

Fig. 4 ein Signaldiagramm zur Erläuterung des Auswertesi­ gnals auf der anderen Hälfte der Meßstrecke und

Fig. 5 ein Blockschaltbild der zugeordneten Meßelektronik.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten ersten Ausfüh­ rungsbeispiel der Positionsmeßstrecke sind auf einem langge­ streckten weichmagnetischen Spulenkern 10 mit flachem, recht­ eckigem Querschnitt eine langgestreckte Sekundärwicklung 11 und zwei Primärwicklungen 12 an beiden Enden der Sekundärwick­ lung 11 aufgebracht. Die Primärwicklungen 12 können auch an den beiden Randbereichen der Sekundärwicklung 11 auf dieser oder unter dieser gewickelt sein.

Der Spulenkern 10 wird an seinen beiden Endbereichen von zwei Abschlußelementen 13, 14 gehalten, die aus Kunststoff, die je­ doch zur Verbesserung des magnetischen Flusses auch aus weich­ magnetischem Material bestehen können. Diese Anordnung 10-14 ist von einem dünnwandigen Kunststoffgehäuse 16 umschlossen, das an seinen beiden Endbereichen an den Abschlußelementen 13, 14 fixiert ist.

Oberhalb des Kunststoffgehäuses 16 ist eine Auswerteplatine 17 über Abstandshalter 18 am Kunststoffgehäuse 16 angeordnet. Diese Auswerteplatine 17 trägt in nicht dargestellter Weise die Auswerteschaltung für das Meßsignal und kann auch die für den Betrieb der Positionsmeßstrecke erforderlichen Signaler­ zeugerstufen tragen. Über zwei schematisch dargestellte, bei­ spielsweise drehbare Einstellelemente 19 können Bauelemente, wie verstellbare Kondensatoren, Widerstände, Spulen und der­ gleichen auf der Auswerteplatine 17 eingestellt bzw. illu­ stiert werden.

Eine mit zwei Hall-Sensoren 20, 21 bestückte Sensorplatine 22 ist an der Unterseite des Kunststoffgehäuses 16 so angeordnet, daß die beiden Hall-Sensoren 20, 21 den linearen, störungs­ freien Bereich der Sekundärwicklung 11 begrenzen. Sie sind also jeweils in einem gewissen Abstand vom jeweiligen Ende der Sekundärwicklung 11 am Kunststoffgehäuse 16 angeordnet. Die Sensorplatine 22 trägt eine von den Hall-Sensoren 20, 21 ge­ steuerte Bereichserkennungsschaltung. Anstelle von Hall-Senso­ ren 20, 21 können auch andere magnetfeldempfindliche Elemente oder Sensoren eingesetzt werden, die insbesondere ein bistabi­ les Schaltverhalten aufweisen.

Die gesamte bisher beschriebene Anordnung wird nun in ein elektrisch leitfähiges, nicht ferromagnetisches Außengehäuse 23 mit U-förmigem Querschnitt eingesetzt, d. h., das Gehäuse ist auf Seiten der Hall-Sensoren 20, 21 offen. Nun wird die gesamte, in das Außengehäuse 23 eingesetzte Anordnung mit ei­ ner Vergußmasse 24 vergossen.

Stirnseitige, elektrisch leitfähige Wandungen 25 des Außen­ gehäuses 23 besitzen Haltevorsprünge 26, mit deren Hilfe die beschriebene Positionsmeßstrecke mittels Schrauben 27 an der Außenseite eines Zylinders oder einer anderen Anordnung fi­ xiert werden kann.

Wird nun ein Permanentmagnet 28 an der Unterseite der Positi­ onsmeßstrecke, also auf Seiten der Hall-Sensoren 20, 21, in der Längsrichtung dieser Positionsmeßstrecke bewegt, so kann die Position dieses Permanentmagneten 28 erfaßt werden, wie im Zusammenhang mit Fig. 7 noch näher erläutert wird. Dieser Permanentmagnet 28 kann im Falle einer Zylinder-Kolben-Anord­ nung am Kolben angebracht sein, z. B. in Form eines Ringmagne­ ten.

Das den Spulenkern 10 und die Wicklungen 11, 12 enthaltende Kunststoffgehäuse kann selbstverständlich auch lediglich mit den beiden Hall-Sensoren 20, 21 versehen sein, wobei dann die erforderlichen elektronischen Bauteile separat untergebracht sind.

Gemäß Fig. 5 weist eine Signalerzeugerstufe 30 einen Funkti­ onsgenerator 31 auf, der eine Dreieckssignalfolge und eine dazu synchrone Rechteckssignalfolge erzeugt. Die Dreieckssi­ gnalfolge wird einem Dreieck-Sinus-Konverter 32 zugeführt, der daraus eine sinusförmige oder sinusartige Wechselspannung er­ zeugt, die an die Primärwicklungen 12 angelegt wird. Die Pri­ märwicklungen sind dabei gemäß Fig. 5 in Reihe geschaltet, jedoch gegensinnig gewickelt. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Primärwicklungen bei gleichsinniger Wicklung ge­ gensinnig zu beschalten. Weiterhin ist die Rechteckssignal­ folge der Signalerzeugerstufe 30 einer monostabilen Schalt­ stufe 33 zugeführt, die daraus eine synchrone Impulsfolge mit kurzen Triggerimpulsen erzeugt.

Die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung wird einem Ab­ tast- und Haltekreis 34 zugeführt, der von der monostabilen Schaltstufe 33 getriggert wird und als phasenempfindlicher Gleichrichter dient. Dessen Ausgangssignal wird einem Span­ nungs-Strom-Wandler 35 mit integriertem Verstärker zugeführt.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung wird nun im folgenden be­ schrieben. Der Permanentmagnet 28 erzeugt einen gesättigten Bereich an der jeweiligen Stelle des Spulenkerns 10 und be­ wirkt dadurch eine magnetische Auftrennung des Spulenkerns.

Infolge der gegensinnigen magnetischen Erregung der Primär­ wicklungen 12 ist dadurch die Sekundärspannung 0, wenn sich der Permanentmagnet 28 in der Mitte der Sekundärwicklung 11 befindet. Bewegt er sich von dieser Mittenstellung aus nach links, so überwiegt immer mehr der rechts von ihm liegende Be­ reich der Sekundärwicklung, und die Amplitude der Sekundär­ spannung steigt synchron mit der Bewegung des Permanentmagne­ ten an. Dies zeigt Fig. 3 durch die gestrichelt dargestellte Sekundärspannung Us. Bewegt sich dagegen der Permanentmagnet von der Mittenstellung aus nach rechts, so überwiegt immer mehr der linke Bereich der Sekundärwicklung und es treten die in Fig. 4 dargestellten Verhältnisse auf, d. h., die Sekun­ därspannung steigt ebenfalls an, jedoch um 180° zur Primär­ wicklung phasenverschoben. Die Triggersignale der monostabilen Schaltstufe 33 sind jeweils um 360° zueinander versetzt, wobei ihre Phasenlage so gewählt ist, daß sie bei den positiven Halbwellen der Sekundärspannung gemäß Fig. 3 jeweils im Maxi­ mum und bei den negativen Halbwellen gemäß Fig. 4 jeweils im Minimum auftreten. Dadurch werden im Abtast- und Haltekreis 34 bei einer Bewegung des Permanentmagneten 28 von der Mittenpo­ sition aus nach links ansteigende positive Spannungswerte und bei einer Verschiebung nach rechts absinkende negative Span­ nungswerte gespeichert. Diese werden im Spannungs-Strom-Wand­ ler 35 verstärkt und in einen entsprechenden Strom umgewan­ delt. Die Umwandlung in einen entsprechenden Strom kann im Einzelfall auch entfallen, wenn anstelle eines positionsabhän­ gigen Stroms eine positionsabhängige Spannung erwünscht ist.

Die Linearität des bei einer Bewegung des Permanentmagneten 28 erzeugten Sekundärsignals ist an den Randbereichen der Sekun­ därwicklung nicht mehr gegeben und wird durch Störeinflüsse getrübt. Der lineare Bereich der Sekundärwicklung 11 ist daher durch die beiden Hall-Sensoren 20, 21 begrenzt. Diese sind mit einer Bereichserkennungseinrichtung 36 verbunden, die nur dann ein Bereichssignal ausgangsseitig abgibt, wenn sich der Perma­ nentmagnet 28 im Bereich zwischen diesen Hall-Sensoren 20, 21 befindet. Anstelle der Hall-Sensoren können auch andere (uni­ axiale) bistabile, magnetische Sensoren verwendet werden. Die­ se sind mit dem Permanentmagneten 28 so abzustimmen, daß die radiale Komponente des Magnetfelds parallel zur sensorempfind­ lichen Achse liegt. Nur wenn ein Bereichssignal am Ausgang der Bereichserkennungseinrichtung 36 anliegt, wird das Meßsignal am Ausgang des Abtast- und Haltekreises 34 bzw. des Spannungs- Strom-Wandlers 35 als Positionssignal akzeptiert. Dies kann beispielsweise durch eine nicht dargestellte Fenster- oder Gat­ terschaltung realisiert werden.

Die Bereichserkennungseinrichtung 36 kann im einfachsten Falle aus einer bistabilen Speicherstufe bestehen, wobei in einer Initialisierungsphase zunächst der Permanentmagnet in einer bestimmten Richtung außerhalb der Positionsmeßstrecke bewegt wird und dann von dort zur Positionsmeßstrecke zurückbewegt wird. Dabei nimmt die bistabile Schalteinrichtung beim Über­ fahren des ersten Hall-Sensors eine erste Schaltstellung ein, die zu einem entsprechenden Bereichserkennungssignal führt. Jedes weitere Erreichen eines der beiden Hall-Sensoren führt dabei zur Umschaltung der bistabilen Schaltstufe und zur Ab­ schaltung des Bereichserkennungssignals.

Die elektronischen Komponenten der Bereichserkennungseinrich­ tung 36 sind beispielsweise auf der Sensorplatine 22 angeord­ net, während die Komponenten des Abtast- und Haltekreises 34 sowie des Spannungs-Strom-Wandlers 35 auf der Auswerteplatine 17 angeordnet sind. Zusätzlich können dort auch noch die Kom­ ponenten der Signalerzeugerstufe 30 angeordnet sein.

Claims (11)

1. Positionsmeßstrecke mit einer als Meßspule ausgebildeten langgestreckten Sekundärspule, an deren Endbereichen jeweils gegensinnig mit einer Wechselspannung beaufschlagbare Primär­ spulen angeordnet sind, und mit einem entlang der Sekundär­ spule bewegbaren Permanentmagneten, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnetfeldsensoren (20, 21) zwischen den Primärspulen (12) im Bereich der Sekundärspule (11) und in Längsrichtung beabstandet von deren Enden angeordnet sind, und daß eine mit den Magnetfeldsensoren (20, 21) verbundene, ein Meßsignal an der Sekundärspule (11) nur bei einer Position des Permanentma­ gneten (28) zwischen den Magnetfeldsensoren (20, 21) als Posi­ tionssignal wertende elektronische Bereichserkennungseinrich­ tung (36) vorgesehen ist.

2. Positionsmeßstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der durch die beiden Magnetfeldsensoren (20, 21) de­ finierte Meßbereich für Positionssignale der störsignalfreie, im wesentlichen lineare Bereich der Sekundärspule (11) ist.

3. Positionsmeßstrecke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (11) und die Primär­ wicklungen (12) aufeinander oder nebeneinander auf einem weichmagnetischen langgestreckten Spulenkern (10) angeordnet sind.

4. Positionsmeßstrecke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die wenigstens aus den Spulen (11, 12) und dem Sen­ sorkern (10) bestehende Anordnung von einem Spulengehäuse (16) aus elektrisch isolierendem Material umgeben sind.

5. Positionsmeßstrecke nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine wenigstens die Auswerte­ schaltung für das sekundärseitige Meßsignal enthaltende Aus­ werteplatine (17) entlang der Spulen (11, 12) angeordnet ist.

6. Positionsmeßstrecke nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetfeldsensoren (20, 21) an einer wenigstens einen Teil der Bereichserken­ nungseinrichtung (36) tragenden Sensorplatine (22) angeordnet sind.

7. Positionsmeßstrecke nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein wenigstens eine Platine (17, 22) und die im Spulengehäuse (16) angeordneten Spulen (11, 12) enthalten­ des Außengehäuse (23) aus elektrisch leitendem Material vorge­ sehen ist, das mit einer Vergußmasse (24) ausgegossen ist.

8. Positionsmeßstrecke nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule (11) mit einem Abtast- und Haltekreis (34) verbunden ist, der von einer Impulserzeugerstufe (33) synchron zu den primärseitigen Wech­ selspannungssignalen getriggert ist.

9. Positionsmeßstrecke nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein die im Abtast- und Haltekreis (34) festge­ haltenen Signale in einen proportionalen Strom umsetzende Um­ setzstufe (35) vorgesehen ist.

10. Positionsmeßstrecke nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch eine in einem Zylinder integrierte Anordnung oder eine Anordnung an der Außenseite eines Zylin­ ders, in dessen Zylinderraum ein mit dem Permanentmagneten (28) versehener Kolben bewegbar ist.

11. Positionsmeßstrecke nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren (20, 21) als bistabile Sensoren ausgebildet sind, insbesondere als Hall-Sensoren.