DE19926895A1 - Messeinrichtung zur Ermittlung der Stellung eines Stellorgans - Google Patents

Messeinrichtung zur Ermittlung der Stellung eines Stellorgans

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Ermittlung der Stellung eines Stellorgans, beispielsweise einer Drosselklappe. DOLLAR A Zur Ermittlung der Stellung eines Stellorgans, das hohen Temperaturen ausgesetzt ist, werden mechanische Potentiometer verwendet, welche mit dem Stellorgan mechanisch verbunden sind. Die darüber ermittelten analogen Signale werden ausgangsseitig an einen A/D-Wandler und danach an einer Auswerteeinheit gegeben. DOLLAR A Nachteilig hierbei ist jedoch, dass die mechanischen Potentiometer einem hohen Verschleiß unterliegen, wodurch zusätzliche Störgrößen das Messergebnis verfälschen. DOLLAR A Einrichtungen zur berührungslosen elektronischen Winkelmessung (1) mit Hall-Elementen (4) sind zwar bekannt, jedoch bei höheren Temperaturen ausgeschlossen, da die Ausgangssignale der Hall-Elemente (4) sehr stark driften. DOLLAR A Demgegenüber sieht die vorliegende Lösung den Einsatz eines temperaturbeständigen Hall-Sensors (4) vor, der in einem einseitig offenen, runden diametralen Dauermagneten (2, 21, 26) angeordnet ist, welcher über eine Welle (3) mit einem Stellorgan verbunden ist. Dabei wird durch die besondere Gestaltung des Dauermagneten (2, 21, 26) eine bauliche Komponente (30) geschaffen, die eine Beeinflussung weiterer Magnetfelder auf den Hall-Sensor (4) verhindert. DOLLAR A Bedingt durch den Hall-Effekt liefert der Hall-Sensor (4) bei Verstellung des Stellorgans und damit der Position des Dauermagneten (2, 21, 26) zum Hall-Sensor (4) ein Ausgangssignal (U¶a¶), das ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Ermittlung der Stellung eines Stellorgans nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Ermittlung der Stellung eines Stellorgans, wie beispielsweise einer Drosselklappe im Ansaugkanal eines Kraftfahrzeuges, das hohen Temperaturen ausgesetzt ist, werden in bekannter Art und Weise mechanische Potentiometer verwendet, welche mit dem Stellorgan mechanisch verbunden sind. Die darüber ermittelten analogen Signale werden ausgangsseitig an einen A/D-Wandler und danach an einer Auswerteeinheit gegeben. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass die mechanischen Potentiometer einem hohen Verschleiß unterliegen, wodurch zusätzliche Störgrößen das Messergebnis verfälschen.
Aus der DE 33 45 804 A1 ist ein Gerät zur berührungslosen elektronischen Winkelmessung eines mechanischen Stellgliedes bekannt. Hierbei ragt eine mit dem Stellglied mechanisch verbundene Welle aus dem Gerät, wobei an der Welle im Gerät ein drehbarer Magnet angebracht ist. Im Gehäuse gegenüber dem drehbaren Magneten ist ein Sensorelement angeordnet.
Verschiedene kontaktlose Längen- und/oder Winkelmesseinrichtungen mit Hall-Generatoren unter Ausnutzung des Hall-Effekts sind in der DE 44 05 513 A1, in der DE 44 08 056 C2 und auch in der DE 197 09 087 A1 offenbart.
In der nicht vorveröffentlichten DE 199 15 988.2 wird eine Messeinrichtung zur Ermittlung der Stellung eines Stellorgans mit einem programmierbaren Hall-Sensor offenbart, mit dessen Hilfe temperaturbedingte Messfehler innerhalb der Messeinrichtung korrigiert werden.
Eine weitere Längen- oder Winkelmesseinrichtung, insbesondere in Grenzlagenschaltern, ist aus der DE 44 27 278 C2 bekannt. Ein hierbei verwendeter Hall-Generator ist zwischen einem stationären Magneten und einem weiteren bewegbaren Magneten angeordnet.
Nachteilig bei den aufgeführten Offenbarungen ist, dass Fehlermessungen bedingt durch weitere Magnetfeldeinflüsse, die auf den Hall-Sensor einwirken, nicht ausgeschlossen werden können.
Hieraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung, eine Messeinrichtung zur Ermittlung der Stellung eines Stellorgans aufzuzeigen, mit der ein genaues Messergebnis erreicht wird.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Dabei liegt der Erfindung die Idee zugrunde, einen programmierbarer Hall-Sensor innerhalb eines runden, einseitig offenen, diametralen Dauermagneten zu integrieren, so dass der Hall-Sensor von kleineren äußeren Streufeldern weitgehend unbeeinflusst bleibt. Der Dauermagnet selbst ist auf einer Welle, die mit einem Stellorgan verbunden ist, bzw. außerhalb um die Welle gelagert und mit der Welle drehbar gehalten. Bedingt durch den Hall-Effekt liefert der Hall-Sensor bei Verstellung des Stellorgans und damit der Position des Dauermagneten zum Hall-Sensor ein Ausgangssignal, das vorzugsweise linear zur Verstellung des Stellorgans ist. Durch die Programmierbarkeit des Hall-Sensors können zusätzlich temperaturbedingte Messfehler korrigiert werden.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Der Diametral-Dauermagnet kann eine Topfform oder eine Napfform mit einer umlaufenden inneren Napfführung aufweisen. Bei der Topfform ist der Hall-Sensor mittig angeordnet, so dass sich der Dauermagnet zentrisch um den Hall-Sensor dreht. Bei der Napfform ist der Hall-Sensor innerhalb einer Napfführung der Napfform mittig gehalten, in der der Hall-Sensor bei Verdrehung des Dauermagneten geführt wird. Vorzugsweise werden der Dauermagnet und der integrierte Hall-Sensor als eine bauliche Komponente geschaffen, wodurch der Hall-Sensor zudem gegen mechanische Einflüsse und Zerstörungen geschützt ist.
Durch die Programmierbarkeit des Hall-Sensors kann zudem mit Hilfe eines Schaltkreises, beispielsweise einer ASIC-Einheit, der innerhalb der Messeinrichtung angeordnet ist, die Messeinrichtung modulartig aufgebaut werden. Die Messeinrichtung ist dadurch platzsparend aufgebaut und besitzt an ihren Ausgängen gleichbleibende Schnittstellenausgänge. Im Incircuit-Gebrauch, d. h. im funktionsgemässen Gebrauch, erfolgt 1 die Kalibrierung und Programmierung des Hall-Sensors der Messeinrichtung, eine sonst notwendige Vorprogrammierung entfällt.
Durch die Intelligenzfähigkeit der Messeinrichtung ist diese in der Lage, durch eine zusätzliche Selbstkontrolle ihre Funktionsfähigkeit zu überprüfen und auftretende Fehler zu melden.
Anhand eines Ausführungsbeispieles mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Messeinrichtung,
Fig. 2a eine Prinzipdarstellung eines Hall-Sensors in einem Dauermagneten in einer geschnittenen Draufsicht
Fig. 2b eine Schnittdarstellung aus Fig. 2a im Schnitt I-I,
Fig. 3 eine Variante der Gestaltung eines Dauermagneten der Messeinrichtung aus Fig. 1.
Fig. 4 eine weitere Variante der Gestaltung eines Dauermagneten der Messeinrichtung aus Fig. 1
Fig. 5 eine weitere Variante der Gestaltung eines Dauermagneten der Messeinrichtung aus Fig. 1
Fig. 6 den Hall-Sensor und den Dauermagneten aus Fig. 2 als eine baulichen Komponente in Schnittbilddarstellung.
In Fig. 1 ist eine modulartige Messeinrichtung 1 dargestellt, wobei mit 2 ein runder, diametraler und mindestens einseitig offener Dauermagnet bezeichnet ist, der auf einer Welle 3 zentrisch befestigt ist, die mit einem nicht näher dargestellten Stellorgan, beispielsweise einer Drosselklappe, in mechanischer Verbindung steht. Hierbei weist die eine Hälfte des Dauermagneten 2 eine Nord-Polung und die andere Hälfte eine Süd-Polung auf, wie es beispielsweise von länglichen Dauermagneten bekannt ist. Innerhalb der offenen Seite des diametralen Dauermagneten 2 ist eine programmierbarer und damit temperaturbeständiger Hall-Sensor 4 angeordnet, der eine für Magnetfeldstrahlen 25 empfindliche Fläche 4.1 und eine unempfindliche Fläche 4.2 aufweist. Mit dem Hall-Sensor 4 ist eine Logikschaltung 5 verknüpft, die mit einem Schaltkreis 6 einer ASIC-Einheit verbunden ist. Die notwendige Nord/Süd-Trennung des Dauermagneten 2 und somit die richtige Verstellungserkennung wird in dem Hall-Sensor 4 während der Kalibrierung/­ Programmierung definiert (wird noch ausgeführt).
In Fig. 2a ist die prinzipielle Anordnung eines Hall-Sensors 4 in einem Dauermagneten 2 in einer geschnittenen Draufsicht dargestellt, wobei in Fig. 2b zur besseren Erkennbarkeit diese prinzipielle Anordnung aus Fig. 2a im Schnitt I-I aufgezeigt ist. Der diametrale Dauermagnet 2 ist hierbei als Ringmagnet (mit zwei offenen Seiten) ausgeführt und um die Welle 3 formschlüssig und passgenau angebracht. Der Hall-Sensor 4 ist vorzugsweise in einem Kunststoffkörper 7 eingebracht, beispielsweise eingespritzt, wobei mindestens ein kleiner Luftspalt 10 zwischen dem Kunststoffkörper 7 und der Welle 3 bestehen bleibt muss, damit der Dauermagnet 2 um den Hall-Sensor 4 verstellt werden kann. Durch den Kunststoffkörper 7 behält der Hall-Sensor 4 seine mittige Ausrichtung auch beim funktionellen Gebrauch bei. Aus diesem Kunststoffkörper 7 ragen Anschlussleitungen 8, die auf Kontakte 9 (Fig. 1) einer nicht näher dargestellten Leiterplatte geführt sind.
In Fig. 3 ist eine weiteren Variante dargestellt, bei der der Dauermagnet 2 auf der Welle 3 angebracht ist. Hierbei weist der diametrale Dauermagnet 2 vorzugsweise nur eine offenen Seite und somit eine Topfform auf, in die der Hall-Sensor 4 hineinragt. Auch hierbei ist der Hall-Sensor 4 unter Beibehaltung eines Rundumluftspaltes zwischen dem Dauermagneten 2 vorzugsweise in einem Kunststoff eingebracht, wodurch der Hall-Sensor 4 seine innere Ausrichtung innerhalb des Dauermagneten 2 erhält und der Dauermagnet 2 mit der Welle 3 um den Hall-Sensor 4 bewegt werden kann.
Eine weitere Variante ist in Fig. 4 aufgezeigt. Hierbei wird ein Dauermagnet 21 aus einem diametralen großen Ring-Dauermagneten und einem mittig angeordneten kleineren Rundmagneten gebildet, wodurch der Dauermagnet 21 eine Napfform mit einer inneren umlaufenden Napfführung 22 zwischen dem Ring-Dauermagneten und dem Rundmagneten aufweist. Der vorzugsweise von einem Kunststoff umgossene Hall-Sensor 4 befindet sich dabei in der Napfführung 22 und wird unter Beibehaltung eines beidseitigen Luftspaltes innerhalb der Napfführung 22 gehalten, so das sich der Dauermagnet 21 mit der Welle 3 um den Hall-Sensor 4 bewegen lassen kann. Um diesen Dauermagneten 21 ist eine Art Eisentopf 24 angebracht, der ein Austreten der Magnetfeldstrahlen 25 verhindern soll. Dies erfolgt durch Kurzschluß selbiger innerhalb des Eisentopfes 24.
In Fig. 5 besteht der Dauermagnet 26 aus einem einfachen diametralen Ringmagnet, der beispielsweise auf einer Eisenplatte 27 angebracht ist, die mit der Welle 3 verbunden ist. Die Eisenplatte 27 fungiert hierbei als Träger. Um auch hier ein Austreten der Magnetfeldstrahlen 25 zu verhindern, ist um die Eisenplatte 27 ein hochragender Eisenring 28 angebracht, in dem die Magnetfeldstrahlen 25 kurzgeschlossen werden. Der Hall-Sensor 4 ist vorzugsweise von einem Kunststoff umgossen und wird innerhalb einer Führung 29 zwischen dem Dauermagneten 26 und dem Eisenring 28 gehalten und geführt.
In Fig. 6 sind der Hall-Sensor 4 und der Dauermagnet 2 in einer weiteren Ausführungsform als eine bauliche Komponente 30 dargestellt. Dabei sind der Hall-Sensor 4 und der Dauermagnet 2 in einem Gehäuse 31 untergebracht. Das Gehäuse 31 besteht aus einem tragenden Teil 32 und einem Deckelteil 33, vorzugsweise aus Kunststoff bestehend, das auf das tragende Teil 32 aufschnappbar ist. Im Deckelteil 33 ist der Hall-Sensor 4 fest integriert, wobei durch das Deckelteil 33 die Beabstandung und Ausrichtung des Hall-Sensors 4 gegenüber bzw. innerhalb des Dauermagneten 2 übernommen wird. Beim Einbau der Komponente 30 wird beispielsweise das tragende Teil 32 auf die durch die Messeinheit 1 ragende Welle 3 aufgebracht, um danach den Dauermagneten 2 passgenau auf die Welle 3 zu setzen. Danach erfolgt ein einfaches Aufschnappen des Deckelteils 33. Durch einen Anschlussstecker 34 im Deckelteil 33 erfolgt die notwendige elektrische Kontaktierung der Hall-Sensoranschlüsse 8 mit den Kontakten 9 der (nicht näher dargestellten) Leiterplatte.
Vor dem funktionsgemässen Gebrauch der Messeinrichtung 1 wird der Hall-Sensor 4 kalibriert und danach programmiert. Dazu wird durch ein Interruptsignal des ASIC- Schaltkreises 6 die Logikschaltung 5 auf den Programmier-Kalibrier-Pfad geschaltet. Über eine bidirektionale Leitung, die auf den Hall-Sensor 4 geht, wird der Hall-Sensor 4 kurzzeitig durch das pulsweitenmodulierte Signal des ASIC-Schaltkreises 6 für die Programmierung stimuliert. Zuerst wird kalibriert, wobei Eckpunkte einer für den funktionsgemässen Gebrauch benötigten Kennlinie bestimmt werden.
Mit Hilfe der so ermittelten Eckpunkte wird im Hall-Sensor 4 eine im ASIC-Schaltkreis 6 hinterlegte Kennlinie über den Stellungswinkel γ des Stellorgans in eine äquivalente Spannungskennlinie umgewandelt. Dies erfolgt mit einer im Hall-Sensor 4 hinterlegten Software, die durch das pulsweitenmodulierte Signal des ASIC- Schaltkreises 6 angeregt wird.
Bekanntermaßen verliert ein Magnet seine Feldlinienstärke bei Temperaturerhöhung. Dadurch kommt es bekanntlich zu Messungenauigkeiten. Dieser Einfluss auf den Dauermagneten 2, 21, 26 wird durch eine Temperaturkennlinienkorrektur korrigiert, die im Hall-Sensor 4 hinterlegt wird, da bekannt ist, welche Feldlinienabweichungen der verwendete Dauermagnet 2, 21, 26 bei bestimmten Temperaturen besitzt. Dadurch weist der Dauermagnet 2, 21, 26 für den Hall-Sensor 4 eine konstante Feldlinienstärke trotz Temperaturbeeinflussung auf.
Auch die Tatsache, dass ein diametraler Dauermagnet 2, 21, 26 verwendet wird, wird bei der Kalibrierung/Programmierung programmtechnisch berücksichtigt.
Nach vollständiger Kalibrierung/Programmierung des Hall-Sensors 4 erfolgt ein Umschalten in der Logikschaltung 5 auf die Versorgungsspannung Vcc, die über die bidirektionale Leitung an den Hall-Sensor 4 geschaltet wird. Vorzugsweise kann diese VCC pulsweitenmoduliert sein.
In normaler Einbaulage des Dauermagneten 2, 21, 26 gegenüber dem Hall-Sensor 4, d. h. wenn der Hall-Sensor 4 vorzugsweise mit seiner empfindliche Fläche 4.1 der Nordpolung direkt gegenüber steht, wobei die unempfindliche Fläche 4.2 direkt zur Südpolung weist, ist beispielsweise das Stellorgan geschlossen. Bei Verstellung des an der Welle 3 befestigten Stellorgans wird auch der Dauermagnet 2, 21, 26 mit verstellt, wodurch sich die Feldlinienstärke der Magnetfeldstrahlen 25 innerhalb des diametralen Dauermagneten 2, 21, 26 zum Hall-Sensor 4 verändert. Die zum Südübergang hin bzw. Nordübergang hin kleiner werdende Feldstärken werden vom Hall-Sensor 4 detektiert und als kleiner werdende Ausgangsspannungen Ua an den Ausgang des Hall-Sensors 4 gegeben. Am Ausgang des Hall-Sensors 4 liegen sich verändernde Ausgangsspannungen Ua an. Dabei werden auch die durch den Temperatureinfluss auf den Dauermagneten 2, 21, 26 entstehenden Messungenauigkeiten mit berücksichtigt, wodurch am Ausgang des Hall-Sensors 4 für die Stellung des Stellungsorgans äquivalente temperaturunabhängige Spannungswerte Ua abgreifbar sind.
Diese einzelnen Spannungswerte Ua gelangen über die Logikschaltung 5 und dessen Output als Ist-Werte zum Schaltkreis 6, wobei der Schaltkreis 6 von einer separaten Baugruppe (nicht näher dargestellt) über eine Soll-Leitung entsprechende Soll-Werte über die Winkellage/Stellung des Stellungsorganes erhält. Dieses Ist-Signal Ua wird in bekannter Art und Weise zur weiteren Verarbeitung aus dem Schaltkreis 6, vorzugsweise spannungsverstärkt, ausgegeben.
Im Schaltkreis 6 selbst erfolgt zusätzlich ein Soll-Ist-Vergleich der Spannungswerte Ua und der Soll-Werte, die in entsprechende USoll umgewandelt wurden. Dieses Ergebnis wird aus dem Schaltkreis 6 über die bidirektionale Soll-Leitung als Rückmeldung, beispielsweise über die Funktionstüchtigkeit des Steilorgans, auf einen Diagnosetester 11 geschaltet.
Der Vorteil der aufgezeigten Messeinrichtung 1 liegt neben dem kompakten modulartigen Aufbau auch in der kleineren Bauform. Es können die bekannten Anschlüsse eines mechanischen Potentiometers verwendet werden. Durch die Programmierung im Hall- Sensor 4 kann die Linerarität des bekannten Potentiometers nachgestaltet werden, wobei jedoch die Umwandlung von analogen Signalen eines Potentiometers in digitale verarbeitbare Signale entfällt. Am Ausgang des Hall-Sensors 4 liegt ein pulsweitenmoduliertes Signal an, das vom Schaltkreis 6 direkt verarbeitbar ist. Der Ausgang des Hall-Sensors 4 ist ratiometrisch und somit unabhängig von Spannungsschwankungen der Versorgungsspannung VCC.
Es versteht sich von selbst, dass sich die erfinderischen Idee nicht in den dargestellten Ausführungsformen des Dauermagneten 2, 21, 26 erschöpft. So kann der Ringmagnet des Dauermagneten 21 als äußerer hohler Ringmagnet auch auf dem Träger 27 aufgebracht sein, wobei der innere Rundmagnet gleichfalls auf dem Träger 27 befestigt ist.

Claims (8)

1. Messeinrichtung zur Ermittlung der Stellung eines Stellorgans, aufweisend einen Dauermagneten, der über einer Welle mit dem Stellorgan in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass
ein temperaturbeständiger, programmierbarer Hall-Sensor (4) in einem runden, diametralen, mindestens einseitig offenen Dauermagneten (2, 21, 26) angeordnet ist,
der Hall-Sensor (4) mit einem Schaltkreis (6) verbunden ist, in dem anwenderorientierte Kenndaten hinterlegt sind,
wobei Messungenauigkeiten durch Temperatureinflüsse auf den Dauermagneten (2, 21, 26) mittels beim Kalibrieren erzeugter Korrekturdaten im programmierten Hall-Sensor (4) korrigiert werden,
wodurch am Ausgang des Hall-Sensors (4) eine der Stellung des Stellorgans äquivalente Spannung (Ua) anliegt.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1 bis, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (2) um die Welle (3) angebracht ist.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (2) zentrisch auf der Welle (3) befestigt ist.
4. Messeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (21) eine Topfform aufweist.
5. Messeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (26) eine Napfform mit einer Napfführung (22) besitzt.
6. Messeinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (2, 21, 26) und der Hall-Sensor (4) in einem Gehäuse (31) integriert sind, wobei das Gehäuse (31) aus einem tragenden Teil (32) und einem Deckelteil (33) besteht, das Deckelteil (33) das auf das tragende Teil 32 aufschnappbar ist und der Hall-Sensor (4) im Deckelteil (33) befestigt ist, wodurch eine baulich kompakte Komponente (30) geschaffen wird.
7. Messeinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) über eine elektrische Leitung (Soll) zusätzlich mit einem Diagnosegerät (11) zur Selbstdiagnose verbunden ist.
8. Messeinrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) als ein in sich geschlossenes kompaktes intelligentes Messmodul ausgeführt ist.
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