DE202016000534U1

DE202016000534U1 - Vorrichtung zur Drehzahlerfassung

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Publication number: DE202016000534U1
Application number: DE202016000534.1U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2016-05-17
Anticipated expiration: 2026-01-29

Abstract

Vorrichtung zur Drehzahlerfassung als stabförmiger Sensor mit mindestens einem ferromagnetischen Polstift 2, der mit einem Geberrad 3 mit Zähnen und Lücken einen Magnetkreis bildet, und der von mindestens einer vorzugsweise zylinderförmigen Sensor-Spule 1 umschlossen wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau einen Reihenschwingkreis aus dieser Sensor-Spule 1, welche durch mindestens eine Induktivität L1 und mindestens einem ohmschen Widerstand R1 repräsentiert wird, und mindestens einen Kondensator C1 aufweist, welcher durch eine Spannungsquelle U1 mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz f0 nahe der Resonanzfrequenz fR angeregt wird und dass aufgrund der Abfolge von Zahn und Lücke eines Geberrads 3 im Luftspalt 5 vor dem Polstift 2 eine Änderung der Spannung Uc1 über dem Kondensator C1 des Schwingkreises auftritt, welche durch einen Vergleich mit wenigstens einem Referenzparameter der Referenzspannung aus der Gruppe Amplitude oder Phase in mindestens einem fest gewählten Zeitpunkt bzw. Zeitabschnitt bzgl. der Spannungsquelle U1 in einer Auswerteeinheit 8 bewertet wird und so die Drehzahl des rotierenden Geberrads 3 ab Drehzahl null ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft die Vorrichtung zur Drehzahlerfassung eines um eine Drehachse rotierenden Körpers (vorzugsweise ein sog. „passives” Geberrad mit Zähnen und Lücken) aus weichmagnetischem Material, wobei die Außenkontur (Zähne, Lücken) des rotierenden Körpers mit einem Sensor abgetastet wird. Bislang werden für die Abtastung entweder sog. aktive Sensoren oder passive (induktive) Sensoren verwendet. Bei beiden Sensorarten werden für passive Geberräder mindestens ein Magnet und in aller Regel noch mindestens ein weichmagnetisches Bauteil für den Aufbau eines sog. Magnetkreises verwendet. Zwischen Geberrad und Magnet befindet sich ein Bauelement, welches die Änderung des magnetischen Flusses bzw. der magnetischen Feldstärke detektiert: In der Regel führt ein Zahn zu einer Erhöhung des magnetischen Flusses und eine Lücke vor dem Sensor zu einer Reduktion des magnetischen Flusses; diese Flussänderung wird ausgewertet und lässt auf die Drehzahl des rotierenden Geberrads schließen. Sog. aktive Sensoren benötigen im Gegensatz zu sog. passiven Sensoren eine elektrische Energieversorgung für den Betrieb der verwendeten magnetfeldempfindlichen Elemente; diese basieren üblicherweise auf dem Halleffekt oder auf magnetoresistiven Effekten (AMR, GMR, TMR). Mittels dieser Elemente und der nachfolgenden Auswerteelektronik können nicht nur die Drehzahl ab Stillstand, sondern zum Teil auch andere Größen wie Drehrichtung oder (Grenz-)Luftspalt erfasst und eine entsprechende Informationen (d. h. entsprechende Warnung) weitergegeben werden; ebenso ist aufgrund einer Plausibilisierungsprüfung (z. B.: Abfrage, ob Signale im erwarteten Bereich liegen) eine Selbstdiagnose des Sensors möglich, was die Betriebssicherheit deutlich erhöht. Die entsprechenden Signale werden über das Schnittstellenprotokoll (z. B. durch Pulsweitenmodulation) an das Steuergerat weitergegeben. Des Weiteren kann z. B. durch eine sog. Stromschnittstelle (z. B. „LOW” = 7 mA, „HIGH” = 14 mA) eine Störung im Kabelbaum oder der Steckerkontakte leicht detektiert werden. Die Sensorelemente und auch die Auswerteelektronik auf Siliziumbasis sind im Sensor in unmittelbarer Nähe des Geberrades verbaut, so dass in den Applikationen die höchste Betriebstemperatur unter ca. 180°C liegt. Dies ermöglicht z. B. einen Einsatz im Bereich der Raddrehzahlerfassung für Personenkraftwagen, aber bei Nutzfahrzeugen können aufgrund der erheblich höheren Fahrzeugmasse und damit höheren Energie beim Bremsvorgang noch höhere Temperaturen auftreten. Daher sind in der Regel keine aktiven, sondern vorzugsweise passive Raddrehzahlsensoren im Nutzfahrzeugbereich verbaut. Passive Drehzahlsensoren basieren in der Regel auf dem induktiven Prinzip. Dies bedeutet, dass das passive Geberrad mit einem stabförmigen Sensor abgetastet wird. Der Sensor besteht hierbei aus einem (Permanent-)Magneten, einem weichmagnetischen Polstift, um welchen eine Spule aus z. B. Kupferlackdraht gewickelt ist, an welcher bei Drehung des Geberrads eine sinusförmige induzierte Spannung U_IND auftritt. Prinzipbedingt tritt aufgrund des Induktionsgesetzes U_IND ~ dΦ/dt nur bei zeitlicher Änderung des magnetischen Flusses Φ (z. B. Übergang Zahn/Lücke) eine induzierte Spannung U_IND auf. Bei Stillstand (Drehzahl null) bleibt der magnetische Fluss Φ konstant, so dass keine induzierte Spannung U_IND auftritt, d. h. U_IND = 0. Mit steigender Drehzahl wächst die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses und infolge dessen steigt auch die induzierte Spannung U_IND, welche an das Steuergerät weitergeleitet wird. Ebenso ist keine Selbstdiagnose des passiven Sensors direkt möglich, da z. B. ein Kabelbruch oder eine Veränderung des Permanentmagneten nicht direkt erkannt werden kann. Daher wird eine mögliche Fehlfunktion in einigen Fällen nicht erkannt. Gerade für viele Fahrerassistenzsysteme ist auch die Erfassung kleiner Raddrehzahlen wichtig – z. B. für ABS oder auch beim Navigieren bei kleinen Geschwindigkeiten oder auch künftig für autonom fahrende Fahrzeuge und den hierbei erhöhten Systemanforderungen an die Betriebssicherheit. Außerdem ist eine erweiterte On-Bord-Diagnose denkbar, welche z. B. beim Anfahren bei Zunahme des Drehmoments im Antriebsstrang die Drehzahlen und Phasenverschiebungen zwischen den verschiedenen Sensoren im Antriebsstrang vergleicht, um hieraus Aussagen über Verschleiß abzuleiten, was dann auf erforderliche Wartungsarbeiten hinweisen kann. Dies kann die Verfügbarkeit und Lebensdauer der Fahrzeuge erhöhen, wobei zugleich Kosten eingespart werden. Ein weiteres Kriterium ist die Baugröße des Sensors; diese soll im Ziel möglichst klein sein; die bisherigen induktiven Sensoren zeigen bauartbedingt einen Außendurchmesser von in der Regel mindestens 10 mm. Außerdem stellt der Permanentmagnet einen relevanten Kostenfaktor dar und führt auch zu unerwünschten Einflüssen wie z. B. aufgrund der Temperatur, der Alterung oder der Toleranzen. Das Magnetfeld eines Permanentmagneten kann dazu führen, dass u. a. magnetische Späne oder Partikel angezogen werden; dies kann unter Umständen zu einem erhöhten Verschleiß oder Beeinträchtigung der Funktionalität führen. Außerdem kann ebenso das Geberrad durch das stets in einer Richtung orientierte Magnetfeld magnetisiert werden, was zu einer Änderung des Magnetkreises und damit der Funktion führen kann.
Nachteilig sind beim Einsatz der bislang in Nutzfahrzeugen üblichen induktiven Drehzahlsensoren bislang:

– Keine Stillstandserkennung
– Mangelnde Erfassung kleiner Drehzahlen (Mindestdrehzahl erforderlich)
– Nur eingeschränkte bzw. keine Selbstdiagnose-Fähigkeit
– Keine Drehrichtungserkennung
– Permanentmagnet kann ferromagnetische Späne anziehen und ggf. Geberrad „magnetisieren”, Alterung des Magneten und daher Degradation über die Zeit möglich
– Keine Zusatzinformationen (wie z. B. Luftspaltreserve, Temperatur, ...)

Zwar treten einige der oben genannten Nachteile (wegen Permanentmagneten können allerdings ebenso Späne angezogen werden) bei sog. aktiven Sensoren nicht auf, aber diese Sensoren können aufgrund der höheren Temperaturanforderungen im Nutzfahrzeugbereich nicht eingesetzt werden.
Bisherige Lösungen mit ähnlichem Aufbau
In DE3326477A1 wird ein Sensor mit einem E-förmigen weichmagnetischen Kern und mindestens einer Primärspule (Erregerspule) und mindestens zwei sekundären Spulen (Messspulen) vorgeschlagen. Hierbei wird mit einem Wechselstrom hoher Frequenz (HF) die Primärspule gespeist und die induzierten Spannungen in den Sekundärspulen erfasst. Aufgrund der Änderungen des Magnetkreises durch die wechselnde Anwesenheit von Zahn oder Lücke ergeben sich unterschiedliche magnetische Wechselfelder, die von einer Auswerteschaltung zu einem zur Drehzahl proportionalen Signal verarbeitet werden. Die Auswertung erfolgt mittels eines phasenempfindlichen Gleichrichters. In der hier vorgeschlagenen Erfindung ist nur mindestens eine Spule erforderlich; außerdem ist keine Messspule zwingend erforderlich, sondern nur mindestens eine Spule, welche in einem Reihenschwingkreis verbaut ist. In DE19646056C2 wird ein ähnlicher Aufbau mit mindestens einer Primärspule und mindestens zwei Sekundärspulen jeweils als flache Spiralwicklungen vorgeschlagen, wobei zusätzlich noch ein Ferritplättchen unterhalb der Flachspulen enthalten ist. Auch wird die Außenkontur (Zahn/Lücke) eines passiven Geberrads abgetastet. Der vorgeschlagene deutlich höhere Frequenzbereich lässt darauf schließen, dass hier vorzugsweise die Wirkung von Wirbelströmen genutzt wird.
Ähnliche Aufbauten mit zwei Sekundärspulen und einer Primärspule sind aus dem Bereich der LVDT-Technik bekannt, die zur Erfassung von vorzugsweise longitudinalen Bewegungen eingesetzt werden. Auch hier ist mehr als eine Spule erforderlich.
Ein weiteres Beispiel ist in DE3242109A1 beschrieben: Hierbei wird ebenfalls nur eine einzige Spule bestromt, welche parallel zu einem Kondensator und damit nicht in Reihe zu einem Schwingkreis angeschlossen ist; die induzierte Spannung wird mit Hilfe einer geeigneten Schaltung ausgewertet. In DE 10 2012 008 699 A1 wird eine Parallel-Schaltung einer Induktivität und einer Kapazität vorgeschlagen, wobei ein wesentliches Detail des Aufbaus ein halbseitig offener ferritischer Schalenkern mit Spule bildet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun die Drehzahlerfassung auch bei höheren Temperaturen (mehr als 180°C), wobei folgende Funktionalitäten ermöglicht werden:

– Stillstandserkennung
– Sichere Erfassung kleiner Drehzahlen
– Selbstdiagnose-Fähigkeit (Plausibilisierung)
– Zusatzinformationen wie z. B. Luftspaltreserve, Temperatur – z. B. über Pulsweite bei Zweileiter-/Strom-Schnittstelle -> Erhöhung der Funktionssicherheit; ebenso ist eine On-Board-Diagnose bzw. Bewertung des Antriebsstrangs möglich, indem z. B. die Signale des Getriebedrehzahlsensors mit den Signalen der Sensoren der Antriebsrädern geeignet verglichen werden.
– Ggf. auch Drehrichtungserkennung

Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein vorzugsweise rotationssymmetrischer Aufbau vorgeschlagen; dieser enthält mindestens eine (Sensor-)Spule und mindestens einen weichmagnetischen Polstift (Kern); eine Spule lässt sich elektrotechnisch im Ersatzschaltbild als Serienschaltung eines ohmschen Widerstands R und einer Induktivität L darstellen. Wird dies zu einem Serienschwingkreis mit einem zusätzlichen Kondensator als Kapazität C ergänzt, so ergibt sich ein Serienschwingkreis, der von einer vorzugsweise sinusförmigen Spannungsquelle U1 mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz f₀ samt deren Innenwiderstand Rin angeregt wird. Vorzugsweise wird dieser Sensor-Schwingkreis nahe der Resonanzfrequenz f_R(= ½·π·√LC) betrieben. Typischerweise liegt die Resonanzfrequenz f_R im Bereich von wenigen Kilohertz bis ca. 80 kHz – also unterhalb der Frequenz von typischen Wirbelstromsensoren. Wird nun der Wert der Induktivität L der Sensor-Spule aufgrund eines geänderten Magnetkreises (Zahn statt Lücke vor Sensor-Spule) verändert, so verschiebt sich die Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises; es ergibt sich eine Änderungen sowohl der Amplitude als auch der Phase der Spannung Uc am Kondensator C im Sensor-Schwingkreis. Vergleicht man diese Spannung mit einer geeigneten Referenz-Spannung, so kann mittels der Spannung Uc zwischen Zahn und Lücke unterschieden werden. Ein günstiger Wert für die Referenzspannung am Kondensator des Referenz-Schwingkreises kann bei einem geeigneten Luftspalt zwischen Zahn und Sensor ermittelt werden, der typischerweise größer ist als der maximale Luftspalt, für welchen der Sensor Zahn und Lücke unterscheiden soll. Ebenso ist möglich, einen Referenzwert direkt in der Applikation (also Sensor vor Zahn oder Lücke) ermittelt und abgespeichert werden; aufgrund der Änderung der Spannung Uc kann dann zwischen Zahn und Lücke unterschieden werden.
Erfindungsgemäß kann diese Referenzspannung bzw. eine Auswahl hierzu geeigneter Werte dieser Referenzspannung in der Auswerteelektronik gespeichert werden; diese Auswerteelektronik ist ohnehin zur Auswertung der Kondensatorspannung Uc erforderlich. Die Auswerteelektronik kann z. B. vorteilhafterweise im vom Geberrad abgewandten Bereich des Sensors platziert werden, da dort die maximale Temperatur niedriger ist als in der Nähe des Geberrads (bzw. der Bremsscheibe), so dass ein ASIC in Silizium-Standardtechnologie verwendet werden kann. Ebenso ist es möglich, die Auswerteelektronik und ggf. auch den Kondensator des Reihenschwingkreises im Steuergerät zu integrieren; dann liegen die zusätzlichen Informationen direkt im Steuergerät vor, ohne dass eine geeignete Schnittstelle wie z. B. die Stromschnittstelle mit 7 mA/14 mA erforderlich ist.
Da die Frequenz f₀ konstant ist, gilt daher ein fester Zusammenhang bzgl. der Phasenlage der Referenzspannung und der Spannungsquelle U1. Daher brauchen nur einzelne Referenzwerte für die Kondensatorspannung in der Auswerteelektronik gespeichert und ggf. noch z. B. hinsichtlich des Temperaturgangs des Magnetkreises korrigiert werden. Aufgrund der i. a. festen Phasenbeziehung zwischen der Spannungsquelle U1 und der Referenzspannung kann durch eine geeignet gewählte Abtastung der Signale (also der elektrischen Spannung am Kondensator des Sensor-Schwingkreises) und einem Vergleich mit der Referenzspannung dann zwischen Zahn und Lücke unterschieden werden. Da die Frequenz f₀ konstant gehalten wird, kann die Auswertung bandbegrenzt erfolgen, wodurch das Rauschen infolge der Bandbegrenzung stark unterdrückt werden kann. Hierdurch wird das Signal-/Rauschverhältnis deutlich verbessert, was auch günstig für die Betriebssicherheit und die elektromagnetische Verträglichkeit dieses Sensorkonzepts ist – dies ermöglicht auch eine Auswertung erst im Steuergerät anstatt direkt im Sensor. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass die gewählte Frequenz f₀ für die Anregung des Sensor-Schwingkreises deutlich größer ist als die maximale Frequenz, welche aufgrund der Abfolge von Zahn und Lücke bei Drehung des Geberrads auftritt.
Der Einfluss der Temperatur ist systematisch und kann daher kompensiert werden – im Schwingkreis ändert sich nur die Amplitude, nicht aber die Phasenlage (die Resonanzfrequenz f_R wird vom Widerstand der Spule nicht beeinflusst); die Temperatur kann z. B. innerhalb der Auswerteelektronik anhand des ohmschen Widerstands der Sensor-Spule ermittelt werden; durch eine geeignete Auswertung z. B. mittels Normierung der Kondensatorspannung Uc. Der Draht der Spule zeigt ein sog. PTC-Verhalten, also der ohmsche Widerstand der Sensor-Spule steigt mit der Temperatur. Ebenso lässt sich aus dem Widerstandswert der Sensor-Spule auch ein Kabelbruch oder Schädigung ermitteln, da sich dann der Widerstandswert signifikant ändert. Ebenso kann auch ein Bereich festgelegt werden, in welchem die Spannung Uc am Kondensator im Sensor-Schwingkreis liegen muss, falls keine Auffälligkeiten aufgetreten sind. Vorteilhafterweise bietet sich – falls sich die Auswerteelektronik und ggf. auch der Kondensator des Reihenschwingkreises im Sensor befinden – eine sog. Zweileiter-Schnittstelle bzw. Stromschnittstelle an, welche schon im PkW-Bereich seit Jahren im Einsatz ist. Über die zwei Zuleitungen zum Sensor ergibt sich eine Stromaufnahme von entweder z. B. 7 mA für LOW oder von z. B. 14 mA für HIGH. Mittels Pulsweitenmodulation kann anhand der Abstände von zwei aufeinander folgenden z. B. steigenden Flanken die Drehzahl und mittels der Pulsweite noch weitere Informationen (z. B. auch Warnung vor Fehlfunktion bei zu großem Luftspalt) übermittelt werden.
Insgesamt können somit über einen Abgleich der Auswerteelektronik im Sensor am Bandende (also nach der Fertigung) oder im Steuergerät direkt nach dem Einbau in der Anwendung mit Hilfe eines Algorithmus durch geeignete Bewertung des Spannung am Kondensator nicht nur die wichtigsten Toleranzen und Fertigungsschwankungen entsprechend berücksichtigt werden, sondern auch die entsprechenden Referenzwerte für die Vergleichsspannungen am Kondensator ermittelt und gespeichert werden, so dass jeder Sensor dann in der Applikation die volle Funktionalität bietet.
In einer zweiten Ausführungsform wird erfindungsgemäß die Referenzspannung mittels eines im Vergleich zum Sensor-Reihenschwingkreis gleichartigen weiteren Schwingkreis (Referenz-Schwingkreis) aus ähnlicher Referenz-Spule mit ebenso vergleichbarem ohmschen Widerstand und gleichem Referenz-Kondensator realisiert. Die Spannung am Referenz-Kondensator entspricht dann in den Referenzpunkten der in der Auswerteelektronik gespeicherten Spannung in der oben beschriebenen Vorzugsvariante. Dieser Referenz-Schwingkreis wird dann vorzugsweise von derselben Spannungsquelle U1 angeregt, damit auch für die Kondensatorspannung im Referenz-Schwingkreis die gleichen Beziehungen bzgl. Amplitude und Phase im Vergleich zum Sensor-Schwingkreis gelten. Vorzugsweise liegt der Referenz-Schwingkreis in unmittelbarer Nähe zum Sensor-Schwingkreis, so dass davon auszugehen ist, dass beide bei gleicher Temperatur betrieben werden. Aufgrund des gleichen Verhaltens ist ein Temperaturabgleich gewährleistet.
In einer weiteren rotationssymmetrischen Ausführungsform wird der Magnetkreis vom Geberrad über den Polstift über ein ferromagnetisches topfförmiges und rotationssymmetrisches Gebilde geschlossen. Hierdurch wird der gesamte magnetische Widerstand verkleinert, d. h. der Einfluss des Luftspalts auf den magnetischen Widerstand des Magnetkreises wird erhöht. In einer weiteren Ausführungsform wird anstatt des topfförmigen rotationssymmetrischen Gebildes ein „U-förmiges” Gebilde verwendet, um den magnetischen Widerstand zu verkleinern; insgesamt ergibt sich hierdurch ein weichmagnetischer „U-förmiger” Kern, der dann aber keinen rotationssymmetrischen Aufbau für den Magnetkreis mehr darstellt.
Schließlich wird eine weitere Ausführungsform vorgeschlagen, welche die Drehrichtungserkennung ermöglicht: Hier wird zunächst ein nicht-rotationssymmetrischer Aufbau vorgeschlagen, welcher im Wesentlichen aus zwei Sensor-Spulen und einem „E-förmigen” weichmagnetischen Kern besteht. Sind die Abstände zwischen den weichmagnetischen Teilen des Magnetkreises im geeigneten Abstand bzgl. des Zahn-/Lücken-Musters, so ist anhand der Differenzspannung zwischen den gleich angeregten beiden Sensor-Schwingkreisen nicht nur die Drehzahl, sondern auch die Drehrichtung ermittelbar. Letztere lässt sich aus der Phasenbeziehung der Differenzspannung im Vergleich zur Spannungsquelle ablesen. Dieser Aufbau kann auch annähernd rotationssymmetrisch aufgebaut werden, indem drei Spulen im Winkel von 120° angeordnet werden und dann die Information über Drehzahl und Drehrichtung durch Auswertung der Differenz der drei Spulen in geeigneter Form geschieht. Die Drehrichtung kann auch durch den Vergleich der Phasendifferenz – vorzugsweise bei kleinen Drehzahlen – von mindestens zwei Sensoren ermittelt werden, da sich bei einer Drehrichtungsumkehr ein signifikanter Sprung (genauer Phasenumkehr) in der Phasendifferenz ergibt.
Für die Auswertung der Signale ist gemäß der Erfindung also stets eine entsprechende Elektronik erforderlich; diese kann im Sensor selbst oder im Steuergerät platziert sein. Auch die Realisierung der Schnittstelle wird über eine entsprechende Elektronik geleistet, um so im Ziel möglichst viele Informationen (also nicht nur die Drehzahl, sondern auch weitere Informationen) aus den Sensorsignalen abzuleiten und an das Steuergerät weiterzugeben und dort zu verarbeiten.
Das neue Sensorkonzept ermöglicht auch eine erweiterte On-Board-Diagnose, d. h. es wird eine kontinuierliche Überwachung bzw. Überprüfung der Bauelemente im Antriebsstrang möglich. Typischerweise sind im Antriebsstrang mehrere Sensoren verbaut. Z. B. kann anhand der Veränderung der Phasenverschiebung der verschiedenen Sensor-Ausgangssignale im Antriebsstrang auf möglichen Verschleiß bzw. Defekte geschlossen werden. Werden entsprechende Erfahrungswerte im System hinterlegt, so können die hieraus resultierenden Aussagen im System bewertet werden und ggf. über Diagnoseschnittstellen nach außen gegeben werden, so dass eine Reparatur bzw. Diagnose schnell möglich wird. Dies hilft, Serviceintervalle auf den tatsächlichen Bedarf anzupassen, was die Verfügbarkeit und auch die Lebensdauer der Fahrzeuge erhöhen hilft und die Gesamtkosten minimiert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1 schematisch den Querschnitt der erfindungsgemäßen Anordnung der Sensor-Spule vor dem Geberrad mit Zähnen und Lücken.
2 schematisch den Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer zusätzlichen Referenzspule und einem zweiten Polstift.
3 die erfindungsgemäß grundlegende Schaltung mit dem Sensor-Schwingkreis aus Spannungsquelle, Innenwiderstand, Induktivität und ohmscher Widerstand der Sensor-Spule und dem Kondensator; ebenso die Auswerteelektronik und das Steuergerät, an welches das Ausgangssignal (hier Stromsignal) weitergeleitet wird.
4 die Ausgangsspannung Uc1 in Schaltung nach 3 und dessen Phasenlage über dem Kondensator C1 in Abhängigkeit der Frequenz f für zwei unterschiedliche Werte der Induktivität der Spule L1.
5 die Ausgangsspannung Uc1 in Schaltung nach 3 in Abhängigkeit der Zeit für zwei unterschiedliche Werte der Induktivität der Spule L1.
6 die erfindungsgemäß grundlegende Schaltung in einer Variante mit der Spannungsquelle und Innenwiderstand und einerseits dem Sensor-Schwingkreis bestehend aus der Reihenschaltung aus Induktivität, ohmschen Widerstand der Sensor-Spule und Kondensator und andererseits der gleichartige Referenz-Schwingkreis aus Induktivität, ohmschen Widerstand und Kondensator; ebenso ist die Auswerteelektronik und das Steuergerät dargestellt, an welches das Ausgangssignal (hier Stromsignal Iv) weitergeleitet wird.
7 die Ausgangsspannung dU als Differenzspannung gemäß Schaltung nach 6 zwischen den beiden Potentialen an den beiden Kondensatoren und dessen Phasenlage in Abhängigkeit der Frequenz f für zwei unterschiedliche Werte der Induktivität der Spule L1.
8 die Ausgangsspannung dU als Differenzspannung gemäß Schaltung nach 6 zwischen den beiden Potentialen an den beiden Kondensatoren in Abhängigkeit der Zeit für zwei unterschiedliche Werte der Induktivität der Spule L1: dUa-a für die Situation „Sensor vor Zahn” – also Induktivität L1 mit Maximalwert und dUa-b für die Situation „Sensor vor Lücke” – also Induktivität L1 mit Minimalwert.
9 ein Beispiel für die Ausgangsspannung dU als Differenzspannung gemäß Schaltung nach 6 zwischen den beiden Potentialen an den beiden Kondensatoren in Abhängigkeit der Zeit für zwei unterschiedliche Werte der Induktivität der Spule L1 – d. h. einmal für die Situation „Sensor vor Zahn” und einmal für die Situation „Sensor vor Lücke”; zusätzlich ist noch die einhüllende Kurve für dU gezeigt.
10 schematisch den Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform mit Sensor-Spule, Polstift und zusätzlich mit einem topfförmigen ferromagnetischen Material für die Optimierung des Magnetkreises.
11 schematisch die Draufsicht der erfindungsgemäßen rotationssymmetrischen Ausführungsform nach 10.; Ansicht von unten, also von der Seite des Geberrads, allerdings ist das Geberrad hier nicht abgebildet.
12 schematisch die Draufsicht der Erfindung nach einer weiteren nicht-rotationssymmetrischen Ausführungsform nach 10; Ansicht von unten, also von der Seite des Geberrads, allerdings ist das Geberrad hier nicht abgebildet.
13 schematisch den Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen nicht rotationssymmetrischen Ausführungsform mit zwei Spulen und einem U-förmigen, ferromagnetischen Kern, wodurch mit geeigneter Signalverarbeitung die Drehrichtungserkennung möglich wird.
14 schematisch die Draufsicht der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach 13; Ansicht von unten gemäß 13 – also von der Seite des Geberrads, allerdings ist das Geberrad hier nicht abgebildet.
15 schematisch den Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen nicht rotationssymmetrischen Ausführungsform mit zwei Spulen und einem E-förmigen, ferromagnetischen Kern, wodurch die Drehrichtungserkennung möglich wird.
16 schematisch die Draufsicht der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach 15; Ansicht von unten gemäß 15 – also von der Seite des Geberrads, allerdings ist das Geberrad hier nicht abgebildet.
17 schematisch die Ansicht von unten einer weiteren erfindungsgemäßen nicht rotationssymmetrischen Ausführungsform mit drei Spulen, wodurch die Drehrichtungserkennung möglich wird – also von der Seite des Geberrads, allerdings ist das Geberrad hier nicht abgebildet.
18 schematisch die Ansicht von unten einer weiteren erfindungsgemäßen nicht rotationssymmetrischen Ausführungsform mit drei Spulen und zusätzlich im Vergleich zu 17 mit einem zentralen Polstift, wodurch die Drehrichtungserkennung möglich wird – also von der Seite des Geberrads, allerdings ist das Geberrad hier nicht abgebildet.
19 die Eingangsspannung U1 und die Ausgangsspannung dU als Differenzspannung gemäß Schaltung nach 6 zwischen den beiden Potentialen an den beiden Kondensatoren in Abhängigkeit der Zeit für zwei unterschiedliche Drehrichtungen DR1 bzw. DR2 für die Situation „Sensor vor Zahn”.
Bezugszeichenliste

1: Sensor-Spule
2: (ferromagnetischer) Polstift, umschlossen von Sensor-Spule
2a: (ferromagnetisches) Flussleitstück, topfförmig (2 in Kontakt mit 2a an Topfseite)
2b: (ferromagnetisches) Flussleitstück, in U-Form (2 in Kontakt mit 2b)
2c: (ferromagnetisches) Flussleitstück, in U-Form
2d: (ferromagnetisches) Flussleitstück
3: Geberrad (mit Zähnen und Lücken, ferromagnetisch)
4: Rotationssymmetrieachse des Sensors
5: Luftspalt (Abstand Sensor zu Zahn)
6: Referenz-Spule
7: (ferromagnetischer) Polstift, umschlossen von Referenz-Spule
8: Auswerteeinheit bzw. Auswerteelektronik
9: Steuergerät
10: einhüllende Kurve von dU
11: Sensor-Spule 2
12: Sensor-Spule 3
U1: Spannungsquelle mit konstanter Frequenz f und Amplitude
Ri: ohmscher Innen-Widerstand der Spannungsquelle U1
L1: Induktivität der Sensor-Spule (1)
R1: ohmscher Widerstand der Sensor-Spule (1)
C1: Kondensator
Uc1: elektrische Spannung über den Kondensator C1
Uc1-a: elektrische Spannung über den Kondensator C1 bei „Sensor vor Zahn”
Uc1-b: elektrische Spannung über den Kondensator C1 bei „Sensor vor Lücke”
φ(Uc1-a): Phasenlage der elektrischen Spannung Uc1-a (bezogen auf Spannungsquelle U1)
φ(Uc1-b): Phasenlage der elektrischen Spannung Uc1-b (bezogen auf Spannungsquelle U1)
L6: Induktivität der Referenz-Spule (6)
R6: ohmscher Widerstand der Referenz-Spule (6)
C2: Kondensator
Uc2: elektrische Spannung über den Kondensator C1
dU: Differenz der Spannung Uc1 und Uc2 (dU = Uc1 – Uc2)
dU-a: elektrische Spannung dU bei „Sensor vor Zahn”
dU-b: elektrische Spannung dU bei „Sensor vor Lücke”
φ(dU-a): Phasenlage der elektrischen Spannung dU-a (bezogen auf Spannungsquelle U1)
φ(dU-b): Phasenlage der elektrischen Spannung dU-b (bezogen auf Spannungsquelle U1)
dU-DR1: Differenz der Spannung Uc1 und Uc2 (dU = Uc1 – Uc2) für Drehrichtung 1
dU-DR2: Differenz der Spannung Uc1 und Uc2 (dU = Uc1 – Uc2) für Drehrichtung 2
Iv: Versorgungstrom für Auswertelektronik (8)
DR1: Drehrichtung 1
DR2: Drehrichtung 2

Der prinzipielle funktionsrelevante Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors ist in 1 gezeigt: Ein ferromagnetischer Polstift 2 wird von der Wicklung der vorzugsweise zylinderförmigen Sensor-Spule 1 umschlossen, so dass sich ein rotationssymmetrischer Aufbau um die Achse 4 ergibt. Der Sensor tastet bei einem Luftspalt 5 (minimaler Abstand zwischen Zahn und Spule bzw. Sensor) das ferromagnetische Geberrad 3 ab, welches vorzugsweise gleichmäßig verteilte Zähne und Lücken aufweist. In 3 ist der grundsätzliche Aufbau des Sensor-Reihenschwingkreises gezeigt: Dieser Schwingkreis weist die Spannungsquelle U1 (mit konstanter Amplitude und fester Frequenz f₀, f₀ vorzugsweise nahe der Resonanzfrequenz f_R), den Innenwiderstand Ri der Spannungsquelle U1, die Induktivität L1 der Sensor-Spule 1, den ohmschen Anteil R1 der Sensor-Spule 1 und den Kondensator C1 auf. Für die Auswertung ist die Spannung Uc1 über dem Kondensator C1 im Sensor-Schwingkreis relevant; die Spannung Uc1 hängt gemäß 4 u. a. vom Wert der Induktivität L1 ab. Ist ein Zahn in unmittelbarer Nähe (also im Abstand des Luftspalts 5 nach 1) der Sensor-Spule 1, so weist hier die Induktivität L1 einen höheren Wert auf als für den Fall, dass sich eine Lücke des Geberrads 3 vor der Sensor-Spule 1 befindet. In 4 ist die Abhängigkeit der Spannung Uc1 am Kondensator C1 über die Frequenz f der Spannungsquelle U1 bei konstanter Amplitude dargestellt. Insgesamt ergibt sich dann eine von der Induktivität L1 abhängige Resonanzfrequenz f_R gemäß 4, wobei die Resonanzfrequenz f_R unabhängig vom ohmschen Widerstand R bzw. R1 ist: Je größer die Induktivität L1, desto kleiner ist die Resonanzfrequenz f_R gemäß folgender Gleichung: f_R(= ½·π·√LC).
Die Zusammenhänge werden im Folgenden anhand der Schaltung in 3 kurz erläutert und hergeleitet, wobei hier gelten soll: R = Ri + R1:
Wird nun die Schaltung nach 3 bei einer festen Frequenz f₀ betrieben, so ändert sich in dieser Schaltung die Spannung Uc1 am Kondensator C1 abhängig vom Wert von der Induktivität L1; in 4 stellt die Spannung Uc1-a den Fall dar, dass sich die Sensor-Spule 1 vor einem Zahn des Geberrads 3 befindet und die Induktivität L1 den Maximalwert annimmt; entsprechend stellt die Spannung Uc1-b die Konstellation „Sensor-Spule 1 vor Lücke” dar, wobei nun die Induktivität L1 den Minimalwert annimmt. Die Frequenz f₀ der Spannungsquelle ist im Beispiel von 4 nahe dem Maximum von der Spannung Uc1-b, so dass folglich in 5 die Spannung Uc1-b (Sensor-Spule 1 vor Lücke des Geberrads 3) eine größere Amplitude aufweist als die Spannung Uc1-a (Sensor-Spule 1 vor Zahn des Geberrads 3). In 4 sind ebenso die Phasenlagen der Spannung Uc1-a und Uc1-b bzgl. der Spannungsquelle U1 dargestellt: Es wird deutlich, dass zwischen der Situation „Sensor vor Zahn” sich die Phasenlage φ(Uc1-a) der Spannung Uc1 bzgl. der Quellenspannung U1 deutlich von der Phasenlage φ(Uc1-b) für „Sensor vor Lücke” unterscheidet; dies wird auch anhand von 5 im Zeitbereich deutlich sichtbar. Ebenso ist in 4 die starke Abhängigkeit der Phasenlage φ(Uc1) von der Frequenz sichtbar. Somit ergibt sich insgesamt eine relativ starke Änderung zwischen den Spannungen Uc1-a („Sensor vor Zahn”) und der Spannung Uc1-b („Sensor vor Lücke”), so dass dies zur Unterscheidung von Zahn und Lücke genutzt werden kann. Wenn nun die Spannung Uc1-b zumindest in bestimmten Abtastwerten (z. B. in den Extremwerten oder Nulldurchgängen) in der Auswerteelektronik abgespeichert wird, so kann durch einen Vergleich der aktuellen Spannung Uc1 mit den gespeicherten Werten von Uc1-b als Referenzwerte zu bestimmten Zeitpunkten zwischen Zahn und Lücke unterschieden werden. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass bei konstanter Frequenz f₀ die Phasenbeziehung der hier als Referenzspannung genutzten (konstanten, aber temperaturabhängigen) Werte von Uc1-b bzgl. der Spannungsquelle U1 stets gleich bleibt, während sich die Phasenlage φ(Uc1-a) der Spannung Uc1-a bzgl. der Quellenspannung U1 ändert. Diese Referenzwerte für die Spannung Uc1 könnten z. B. bei einem bestimmten Luftspalt 5 (typischerweise größer als größter zu detektierender Luftspalt) ermittelt und dann abgespeichert werden.
Wichtig ist auch die Unterdrückung der Einflüsse aufgrund einer Temperaturänderung. Da der ohmsche Widerstand R1 der Sensor-Spule 1 gemäß obiger Gleichung 1 ebenso die Spannung Uc1 am Kondensator C1 beeinflusst, ist die Kompensation dieser Querempfindlichkeit wichtig. Der ohmsche Widerstand R1 der gewickelten Sensor-Spule 1 (z. B. aus Kupferdraht) zeigt typischerweise das Verhalten eines Kaltleiters, d. h. mit steigender Temperatur nimmt der Widerstand R1 zu. Ebenso lässt sich aus dem Wert des Widerstands R1 die Temperatur bestimmen, was mittels eines entsprechenden Protokolls (z. B. Pulsweitenmodulation) nach außen an das Steuergerät 9 weitergegeben werden kann, falls die Auswertung nicht direkt im Steuergerät 9 erfolgt. Der Einfluss der Änderung des Widerstands R1 auf den Schwingkreis ist systematisch und reproduzierbar und auch vorhersagbar; somit kann dieser Einfluss in der Auswerteelektronik 8 in 3 durch entsprechende Änderung der Referenzwerte für die Spannung Uc1 kompensiert werden; z. B. enthalten bei konstantem Luftspalt 5 und bei einer geeigneten Normierung der Spannung Uc1 und die Amplitude eine Information über die Temperatur und die Phasenlage eine Information über die Drehzahl. Dies erhöht die Systemsicherheit, da der Temperatureinfluss kompensiert werden kann und auch z. B. bei kritischer Temperatur eine Warnung an das System erfolgen kann. Für eine hohe Betriebssicherheit ist eine Selbstdiagnose wichtig: Mittels einer Plausibilitätsprüfung kann eine Diagnose durchgeführt werden, da bei korrektem Aufbau der Wert des Widerstands R1 (und natürlich auch der Induktivität L1 der Sensor-Spule 1 und dem Kondensator C1) die Werte der Spannung Uc1 in einem bestimmten Erwartungsbereich liegen müssen; dies kann in der Auswertelektronik 8 überprüft werden und über ein geeignetes Protokoll die entsprechende Information an das Steuergerät 9 weitergeben werden. Die Auswerteelektronik 8 kann auch im Steuergerät 9 platziert sein; dann ist eine geeignete Schnittstelle zwischen der Auswertelektronik 8 und dem Steuergerät 9 nicht erforderlich. Insgesamt stellt dies eine Möglichkeit der Selbstdiagnose dar, die in induktiven Sensoren bislang nicht realisiert werden konnte.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die entsprechende elektrische erfindungsgemäße Schaltung ist in 6 dargestellt und unterscheidet sich in folgenden Punkten von der Schaltung nach 3. Zusätzlich zum Sensor-Schwingkreis aus der Induktivität L1 und des ohmschen Anteils R1 der Sensor-Spule 1 und einem in Reihe geschalteten Kondensator C1 (wie in 3) wird hier noch ein weiterer gleichartiger Schwingkreis als Referenz-Schwingkreis (bestehend aus der Reihenschaltung der Induktivität L6 und dem ohmschen Anteil der Referenz-Spule 6 plus Kondensator C2) für die Bereitstellung des Referenzsignals (bzw. der Referenzwerte) als Spannung Uc2 über dem Kondensator C2 vorgeschlagen. Die Differenz-Spannung dU zwischen der Spannung Uc1 am Kondensator C1 und der Spannung Uc2 am Kondensator C2 bildet somit die Differenz zwischen dem Ausgangssignal Uc1 (also Spannung am Kondensator C1) des Sensor-Schwingkreises (bestehend aus L1, R1 und C1) und dem Ausgangssignal Uc2 (Spannung am Kondensator C2) des gleichartigen Referenz-Schwingkreises (bestehend aus L6, R6 und C2). Während sich die Induktivität L1 des Sensor-Schwingkreises durch die Anwesenheit von Zahn oder Lücke ändert, bleibt im Referenz-Schwingkreis die Induktivität L6 der Referenz-Spule 6 im Ziel konstant. In 7 ist die Spannung dU zwischen den beiden Kondensatorspannungen Uc1 und Uc2 in Abhängigkeit der Frequenz f der Spannungsquelle U1 bei konstanter Amplitude dargestellt. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass bei konstanter Frequenz f₀ die Phasenbeziehung der hier als Referenzspannung genutzten (konstanten) Werte der Spannung Uc2 bzgl. der Spannungsquelle U1 stets gleich bleibt, während sich die Phasenlage φ(Uc1) der Spannung Uc1 bzgl. der Quellenspannung U1 ändert. Letzteres entspricht genau den Erkenntnissen nach 3 bis 5, was weiter oben beschrieben wurde. Insgesamt erhält man neben einer Änderung der Amplitude der Differenzspannung dU auch eine Änderung der Phasenlage φ(dU) der Differenzspannung dU, wie dies später noch näher erläutert wird. Im Beispiel nach 7 ist die gewählte Frequenz f₀ nahe der Resonanzfrequenz f_R für den Fall, dass die beiden Induktivitäten L1 (hier Sensor-Spule 1 vor Lücke) und L6 nahezu den gleichen Wert aufweisen – wobei die Widerstände R1 und R6 ebenso wie Kondensatoren C1 und C2 gleich gewählt sind; hier erhält man bei der Frequenz f₀ die relativ kleine Differenz-Spannung dU-b. Nähert sich nun ein Zahn des Geberrads 3 der Sensor-Spule 1, dann steigt der Wert der Induktivität L1 und man erhält gemäß 7 einen höheren Wert für die Differenz-Spannung dU – nämlich dU-a. Im Zeitbereich lässt sich dies anhand von 8 darstellen: Die große Differenz-Spannung dU-a repräsentiert den Fall „Sensor-Spule 1 vor Zahn des Geberrads 3” und die kleine Differenz-Spannung dU-b den Fall „Sensor-Spule 1 vor Lücke des Geberrads 3”. 9 zeigt dies für den Fall, dass sich ein Geberrad 3 vor der Sensor-Spule 1 dreht: Die einhüllende Kurve 10, welche die Amplitude der Differenz-Spannung dU zeigt, spiegelt die Anwesenheit eines Zahnes des Geberrads 3 in Nähe der Sensor-Spule 1 wider, wenn die Amplitude der Differenz-Spannung dU groß ist; entsprechend ergibt sich für „Sensor-Spule 1 vor Lücke des Geberrads 3” eine kleine Amplitude der Differenz-Spannung dU. Damit kann anhand der Amplitude der Differenz-Spannung dU eindeutig zwischen Zahn und Lücke vor Sensor-Spule 1 unterschieden werden, um so ein Drehzahl des Geberrads 3 zu ermitteln.
Aufgrund der gleichen Temperatur der ohmschen Widerstände R1 und R6 verändern sich die beiden Schwingkreise gleich, so dass die Differenz-Spannung dU von Temperatureinflüssen weitgehend unbeeinflusst bleibt. Im Falle eines gespeicherten Referenzwertes kann die Temperatur durch geeignete Normierung der Kondensatorspannung Uc1 abgeschätzt werden.
In 10 ist im Querschnitt eine weitere rotationssymmetrische Variante der Erfindung dargestellt. Die Ansicht von unten (also von Sicht des Geberads 3 aus) ist in 11 gezeigt. Der Magnetkreis über Polstift 2 und Geberrad 3 wird über das topfförmige ferromagnetisches Flussleitstück 2a nahezu geschlossen; hierdurch wird der magnetische Widerstand (insgesamt wirksame Luftspalt) deutlich verringert und der Übergang Zahn/Lücke vor Polstift 2 führt bei geeignetem Abstand (z. B. beide jeweils über Zahn) zwischen dem Polstift 2 und zum ferromagnetischen Flussleitstück 2a zu einer Erhöhung des magnetischen Flussänderung. Dies führt dann zu einer leichteren Unterscheidung von Zahn oder Lücke vor Sensor, was auch den maximalen Luftspalt 5 erhöht. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Abstand zwischen Polstift (2) und topfförmigem, ferromagnetischem Topf (2a) in 11 bzw. U-förmigem Flussleitstück (2b) in 12 dem Abstand zweier Zähne des Geberrads (3) entspricht.
Eine weitere Alternative für diesen Aufbau ist die Variante nach 12. Hier wird statt eines topfförmigen ferromagnetischen Flussleitstücks 2a in 10 und 11 ein U-förmiges Flussleitstück 2b vorgeschlagen, welche in gleicher Art den Magnetkreis bildet und den magnetischen Widerstand insgesamt verringert. Der Polstift 2 ist hierbei ebenso wie vorher in 10 in Kontakt mit dem ferromagnetischen Flussleitstück 2b, um den magnetischen Widerstand zu verringern. Die Ausführungen bzgl. 10 gelten hier in gleicher Art, allerdings ist dieser Aufbau nicht rotationssymmetrisch und daher muss das ferromagnetische Flussleitstück 2b in Richtung der Drehrichtung des Geberrads 3 gemäß 10 ausgerichtet sein.
Schließlich wird erfindungsgemäß noch ein weiterer Aufbau mit Drehrichtungserkennung gemäß 13 und 14 vorgeschlagen. 13 zeigt den Querschnitt und 14 die Ansicht von unten (also aus Sicht des Geberrads 3). Ein U-förmiges ferromagnetisches Flussleitstück 2c wird an den beiden Schenkeln gemäß 13 von den zwei Sensor-Spulen 1 und 11 umschlossen. Die beiden Schenkel des U-förmigen ferromagnetischen Flussleitstück 2c sollten einen solchen Abstand aufweisen, so dass sich ein Schenkel über einem Zahn und sich der andere Schenkel über einer Lücke befindet. Die beiden Sensor-Spulen 1 und 11 bilden zusammen mit dem jeweiligen ohmschen Anteil der Spulen (Widerständen R1 und R2 in 6) und mit den jeweils gleichartigen Kondensatoren (vgl. die Kondensatoren C1 und C2 in 6) je einen Reihenschwingkreis; die dann resultierende Differenzspannung dU in 6 zwischen den beiden Kondensatoren C1 und C2 gibt dann nicht nur eine Information über die Drehzahl des rotierenden Geberrads 3, sondern auch über die Drehrichtung mittels der Phasenverschiebung, wie dies in 14 darstellt ist. Der hier beschriebene Magnetkreis kann noch verbessert werden, indem möglichst schwach gekoppelte bzw. entkoppelte Magnetkreise durch einen zusätzlichen Polstift 2, der in Kontakt zum U-förmigen ferromagnetisches Flussleitstück 2c liegt, gebildet werden, wie dies in 15 und 16 dargestellt ist.
Drehrichtungserkennung kann auch in einer anderen Ausführungsform nach 17 realisiert werden. Hier werden im Gegensatz zu 15 bzw. 16 drei statt nur zwei Spulen verwendet, die um 120° versetzt angeordnet sind. Jeweils zwei Spulen bilden ein Spulenpaar, welches jeweils die Erfassung der Drehzahl und auch der Drehrichtung ermöglicht. Aufgrund des nahezu rotationssymmetrischen Aufbaus können auch bei Verdrehung des Sensors die Drehzahl und die Drehrichtung wie im Beispiel nach 15 bzw. 16 erfasst werden. Die drei ferromagnetischen Flussleitstücke 2d sind auf der dem Geberrad 3 abgewandten Seite miteinander durch weichmagnetische Bauelemente verbunden, um je einen geschlossenen Magnetkreis zu bilden. 18 zeigt eine Variante einer Ausführungsform nach 17, bei welchem noch ein zusätzlicher zentraler Polstift 2d vorgeschlagen wird, um den magnetischen Widerstand im Magnetkreis zu reduzieren.
Ferner ist eine Drehrichtungserkennung auch mit mindestens zwei Sensoren nach 1 bzw. 2 möglich: Wird die Drehrichtung geändert, so kann vorzugsweise bei niedriger Drehzahl der zeitliche Versatz bzw. die Phasenlage der beteiligten Differenzspannungen dU ermittelt werden. Bei einer Drehrichtungsumkehr wechselt dann das Vorzeichen dieses Phasenversatzes zwischen den beteiligten Differenzspannungen dU, was Rückschlüsse auf die Drehrichtung zulässt – dies ist im Prinzip in 19 gezeigt. Das Signal dU_DR1 repräsentiert hier die Differenzspannung dU für die Drehrichtung DR1 und dU_DR2 sinngemäß die Differenzspannung dU für die umgekehrte Drehrichtung (also in Drehrichtung DR2).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3326477 A1 [0004]
DE 19646056 C2 [0004]
DE 3242109 A1 [0006]
DE 102012008699 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Drehzahlerfassung als stabförmiger Sensor mit mindestens einem ferromagnetischen Polstift 2, der mit einem Geberrad 3 mit Zähnen und Lücken einen Magnetkreis bildet, und der von mindestens einer vorzugsweise zylinderförmigen Sensor-Spule 1 umschlossen wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau einen Reihenschwingkreis aus dieser Sensor-Spule 1, welche durch mindestens eine Induktivität L1 und mindestens einem ohmschen Widerstand R1 repräsentiert wird, und mindestens einen Kondensator C1 aufweist, welcher durch eine Spannungsquelle U1 mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz f₀ nahe der Resonanzfrequenz f_R angeregt wird und dass aufgrund der Abfolge von Zahn und Lücke eines Geberrads 3 im Luftspalt 5 vor dem Polstift 2 eine Änderung der Spannung Uc1 über dem Kondensator C1 des Schwingkreises auftritt, welche durch einen Vergleich mit wenigstens einem Referenzparameter der Referenzspannung aus der Gruppe Amplitude oder Phase in mindestens einem fest gewählten Zeitpunkt bzw. Zeitabschnitt bzgl. der Spannungsquelle U1 in einer Auswerteeinheit 8 bewertet wird und so die Drehzahl des rotierenden Geberrads 3 ab Drehzahl null ermittelt wird.
Sensor nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung für den Vergleich durch Speicherung der Kondensatorspannung Uc1 bei einem geeigneten Luftspalt 5 (z. B. größer als maximaler Luftspalt 5 in der Anwendung) zwischen Polstift 2 und Geberrad 3 ermittelt wird und dass hierdurch Toleranzen funktionsrelevanter Teile wie z. B. für Kondensator C1, Induktivität L1, Widerstand R1 abgeglichen werden können und dass diese Referenzspannung in einer Auswerteelektronik 8 gespeichert und die Signale ausgewertet werden.
Sensor nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Unterscheidung zwischen „Sensor vor Zahn” und „Sensor vor Lücke” mittels einer Differenzspannung dU zwischen der Spannung Uc1 des Reihenschwingkreises aus der Sensor-Spule L1 und R1 und dem Kondensator C1 und der Spannung Uc2 über dem Kondensator C2 eines gleichartigen Referenz-Reihenschwingkreises – repräsentiert durch die Induktivität L2, den ohmschen Widerstand R2 der Spule und dem Kondensator C2 – erfolgt, um dann die hieraus gewonnenen Informationen nach außen an ein Steuergerät 9 weiterzuleiten, wobei der Referenz-Reihenschwingkreis vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Sensor-Schwingkreises betrieben wird und daher bei gleicher Temperatur betrieben wird, so dass die Temperatur kaum Einfluss auf die Funktion des Drehzahlsensors hat.
Sensor nach Anspruch 1 und Anspruch 2 oder Anspruch 1 und Anspruch 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mittels des Einflusses des ohmschen Widerstands R1 der Sensor-Spule 1 auf die auszuwertende Spannung Uc1 die Temperatur der Sensor-Spule L1 ermitteln kann und dass der Einfluss der Temperatur in der Auswerteelektronik kompensiert werden kann und dass diese Information nach außen gegeben werden kann.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 und auch Anspruch 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor aufgrund der Bewertung der funktionsrelevanten Größen wie der Spannung Uc1 am Kondensator C1 des Reihenschwingkreises eine Plausibilitätsprüfung durchführt und prüft, ob die gemessenen Werte im Erwartungsbereich liegen und dass dadurch eine Selbstdiagnose des Sensors realisiert wird.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 und auch Anspruch 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau vorzugsweise durch ein topfförmiges ferromagnetisches Flussleitstück 2a oder durch ein U-förmiges ferromagnetisches Flussleitstück 2b, welches jeweils in Kontakt mit dem Polstift 2 steht, ergänzt wird, so dass der Magnetkreis aus Polstift 2, ferromagnetischem Flussleitstück 2a bzw. 2b bei Annäherung eines Zahns des Geberrads 3 bei einem konstanten Luftspalt 5 eine noch größere Veränderung der Spannung Uc1 am Kondensator des Sensor-Reihenschwingkreises ergibt, was die Unterscheidung „Sensor vor Zahn” oder „Sensor vor Lücke” erleichtert.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 und auch Anspruch 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle vorzugsweise eine Stromschnittstelle ist, bei welcher vorzugsweise durch Pulsweitenmodulation weitere Informationen außer der Drehzahl wie Luftspaltreserve, Temperatur, Stillstand, ggf. Drehrichtung und ggf. Warnung aufgrund der durchgeführten Selbstdiagnose von der Auswerteeinheit 8 an das Steuergerät 9 weitergegeben werden.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 und auch Anspruch 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzbereich vorzugsweise im Bereich 3 kHz bis 80 kHz liegt und dass für die Signalauswertung nur ein schmales Frequenzband genutzt wird, wodurch eine hohes Signal-/Rauschverhältnis erreicht werden kann.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 und auch Anspruch 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor insbesondere für Temperaturen über 160°C an der Sensorspitze (Ort der Sensor-Spule) und damit für höhere Temperaturen als beispielsweise mit herkömmlichen Hall- oder magnetoresistiven Sensoren geeignet ist.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 und auch Anspruch 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau vorzugsweise rotationssymmetrisch ist, so dass der Sensor ohne Funktionsänderung um die Rotationssymmetrieachse 4 verdreht eingebaut werden kann.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 und auch Anspruch 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung von mindestens einem weiteren Sensor-Schwingkreis (gebildet aus Sensor-Spule 11) in Richtung des Umfangs des Geberrads 3 und mindestens einem zusätzlichen U-förmigen ferromagnetischen Flussleitstück 2c in geeigneter Anordnung die Drehrichtung anhand der Phasenbeziehung der beiden Spannungen an den Kondensatoren der Sensor-Schwingkreise bestimmt werden kann.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 und auch Anspruch 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung von insgesamt zwei weiteren Sensor-Schwingkreisen (gebildet aus Sensor-Spule 11) und entsprechenden Polstiften samt Spulen, welche in 120° angeordnet sind und zusätzlichen ferromagnetischen Flussleitstücken 2c in geeigneter Anordnung anhand der Phasenbeziehung je zweier Spannungen an den Kondensatoren der Sensor-Schwingkreise bestimmt werden kann.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 und auch Anspruch 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass für einen solchen Sensor kein Permanentmagnet erforderlich ist.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 und auch Anspruch 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswertung der Drehzahl in Kombination mit anderen Drehzahlsensoren im Antriebsstrang insbesondere bei kleinen Drehzahlen weitere Information für die Diagnose und zur Verschleiß-Bestimmung aufgrund von Änderungen der Phasenbeziehungen der einzelnen Drehzahlsignale aufgrund von gespeicherten Bewertungskriterien im Verlauf der gesamten Betriebsdauer gewonnen werden können.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 und auch Anspruch 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auswerteelektronik (samt Kondensator C1) zur Signalverarbeitung und Bewertung der Signale mit Zusatzinformation wie Temperatur, Drehrichtung, Luftspaltreserve statt im Sensor auch an einem anderen Ort wie z. B. im Steuergerät befindet.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 und auch Anspruch 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die geeignete Auswertung der Phasendifferenz von mindestens zwei Sensoren nach Anspruch 1 auch die Umkehrung der Drehrichtung aufgrund des damit einhergehenden Phasensprungs detektiert werden kann.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzspannung die Kondensatorspannung Uc1 direkt in der Applikation bei beliebiger Anordnung – also Sensor vor Zahn oder vor Lücke des Geberrads 3 – abgespeichert wird und dass hierdurch mittels geeigneter Signalauswertung der Kondensatorspannung Uc1 im Vergleich zur Referenzspannung Zahn und Lücke voneinander unterschieden und damit auch die Drehzahl des Geberrads 3 ermittelt werden kann.
Sensor nach mindestens Anspruch 1 und auch Anspruch 2 oder 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass für die Auswertung der Kondensatorspannung Uc1 im Vergleich zur Referenzspannung die Phasendifferenz vorzugsweise für die Unterscheidung von Zahn und Lücke und der Vergleich der Amplituden vorzugsweise für die Erfassung der Temperatur genutzt wird.