DE2241629A1 - Statisch arbeitendes magnetisches gebergeraet - Google Patents

Description

• Statisch arbeitendes magnetisches Gebergerät Die Erfindung betrifft ein statisch arbeitendes magnetisches Gebergerät mit einem im magnetischen Rückschluß eines Permanentmagneten im Tastkopf liegenden Hallgenerator.
• Geräte dieser Gattung werden z.B. bei der Messung von Dikken unmagnetischer Schichten über einer ferromagnetischen Substanz eingesetzt.
• Es sind ferner Geräte bekannt, die die Feststellung von unterschiedlichen Blechstärken oder mehrfach übereinanderliegenden Blechen erlauben und somit als Doppelblechschalter Einsatz finden, und solche, die bei bestimmter Annäherung an ferromagnetische Teile ein Schaltsignal abgeben, also die Funktion eines magnetischen Näherungsschalters haben. Die Wirkungsweise dieser Geräte beruht im allgemeinen auf induktivem Prinzip.
• Für die unterschiedlichen Anwendungsbereiche ist bisher je ein dem jeweiligen angepaßter Gerätetyp erforderlich, was der Produktion in großer Stückzahl und damit einer Kostensenkung entgegensteht. Manche der bekannten der Geräte erfordern überdies für ihre Funktion, daß/abzutastende Gegenstand von zwei gegenüberliegenden Seiten zugänglich ist. Einflüsse der Umgebung wie Temperaturschwankungen oder ähnliches müssen entweder abgeschirmt oder durch komplizierte Schaltungen kompensiert werden.
• Nach der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe soll ein Gerät eingangs aufgeführter Art so gestaltet werden, das es ftlr sämtliche der vorstehend genannten Anwendungsfälle gleichermaßen verwendbar ist. Es soll außerdem lediglich durch Heranrühren von einer Seite an den Meß- oder Einsatzort funktionstüchtig und durch Einwirkungen der Umgebung, wie Temperaturschwankungen oder große Massen ferromagnetischen Materials, mit Ausnahme des zu messenden nicht beeinflußt werden.
• Diese Aurgabe wird erfindungsgemäß dadurch ve.löst, d¢ der Hallgenerator symmetrisch ist und zentralsymmetr h in einen zur Mittelachse zentralsymmetrisch aufgef kopf eingesetzt ist und die mit einer BrUckenscl zuwertende, durch Schwankungen des Magnetflusses wechselnde Spannung des Hallgenerators zwischen einem Stromanschluß und einem Hall spannungS ans c hluß abgegriffen wird.
• Vorteilhaft wird das Gebergerät dadurch ausgestaltet, daß der Permanentmagnet mittig im Geberkopf sitzt und mit von einem magnetisch nicht leitenden Stoff ausgefüllten Zwischenraum vom topfförmigen Rückschluß umgeben ist, die beide an der Stirnfläche des Geberkopfes enden, und der Hallgenerator auf einem in der Achsverlängerung des Permanentmagneten einen Nebenweg des Rückschlusses bildenden Halter aus magnetisch leitendem Werkstoff befestigt ist. Wenn dann noch ein magnetisch nicht-leitendes Abstandsplättchen zwischen den Permanentmagneten und dem Hallgenerator zur Einstellung einer bestimmten Vormagnetisierung vorgesehen wird und der topfförmige magnetische Rückschluß in einen Abstandshaltering aus magnetisch nichtleitendem Material eingesetzt ist ist ein Geberkopf geschaffen, der völlig unabhängig von reiner Einbaulage und von ihn umgebenden größeren Massen ferromagnetischen Werkstoffs zu wirken vermag. Ein derartiger Geberkopf kann schließend in eine Bohrung eines der Bewegungsbahn des zu überprüfenden Materials oder im Falle eines Näherungsschalters der Bewegungsbahn eines ferromagnetischen Gegenstückes eingesetzt werden.
• Durch verschiedene weitere Ausgestaltungen kann der Geberkopf schlagfest und auch gegen Abrieb durch unmittelbar auf ihm entlanggeführtes Material, wie Blechbänder oder dergleichen geschützt werden, wodurch zusätzlich noch seine Gleitfähigkeit verbessert werden kann.
• Seine besonders hohe Schaltemprindlichkeit erhält das magnetische Gebergerät dadurch, daß die zwischen einem Hallstrom- und einem llallspannungsanschluß abgegriffene Hallspannung in der Brückenschaltung mit der konstanten Steuerspannung des Hallstroms verglichen wird. Es lassen sich auf diese Weise bereits sehr kleine Stufen in der Stärke vorbeigeführter Bleche oder auch kleine Stufen in ferromagnetisches Material überdeckenden Schichten feststellen wie auch das Schalten des Gerätes als Näherungsschalter an sehr exakten Stellen durchführen. Die Temperaturunabhängigkeit des gesamten Gebergerätes kann durch die Einspeisung einer temperaturabhägen Zusatzspannung mittels eines Stellwiderstandes in die Brückenschaltung erzielt werden.
• Besonders vorteilhaft für seine Anwendung ist die Ausbildung des Gerätes in der Weise, daß sein Leistungsachalt ausgang eine galvanische Trennung besitzt und in Zweileiterausführung aufgebaut ist, so daß es sich z.B. wie ein mechanischer Endschalter einsetzen läßt, wobei die Spannungsversorgung dabei über den Verbraucher erfolgen kann.
• Die Erfindung soll nun nachstehend in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher beschrieben werden, so daß daraus die Merkmale sowie die erzielten Vorteil le und die Eigenschaften des Gerätes nochmals deutlich hervorgehen. Es zeigen: Fig. 1 einen axialen Schnitt durch eine mBBliche Ausführungsform des Geberkopfes nach der Erfindung; Fig. 2 einen Schaltbildausechnitt des erfindungsgemäßen Gebergerätes, der den Hallgenerator in der Brückenschaltung in Verbindung mit den Temperaturkompensations- und Spannungskonstanthalteelementen zeigt; und Fig. ) eine Schaltungsdarstellung des gesamten Gebergerätes in Blockform.
• Die Fig. 1 zeigt einen axialen Längsschnitt durch einen im Maßstab gegenüber der natürlichen Größe vergrößerten Geberkopf, der insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Am Geberkopf wird stirnseitig ein Blech 11 mit Abstand vorbeigeführt. Der Geberkopf 10 besitzt ein zylindrisches Gehäuse 12 aus nicht magnetisierbarem Werkstoff, etwa Messing, das eine im vorliegenden Fall abgesetzte Innenbohrung aufweist.-Mit der Vorderfläche des zylindrischen Gehäuses 12 bündig, folgen in dieses eingesetzt konzentrisch von außen nach innen ein magnetischer Rückschluß 13 aus ferromagnetischem Material, ein Abstandshaltering 14 aus nichtmagnetisierbarem Material wie Messing und ein Permanentmagnet 15, der in Achsrichtung des Geberkopfes magnetisiert ist. Die Stirnfläche dieser konzentrischen Anordnung ist mit einer dünnen Kappe 16 aus einem nichtmagnetisierbaren Edelstahlblech überdeckt, die das Verkratzen der darunterliegenden Teile verhindert, wenn das Blech 11 schleifend über den Oeberkopf hinwegggeführt wird, und die Uberdies bessere Gleiteigenschaften zwischen Geberkopf 10 und Blech 11 entstehen läßt.
• Der magnetische Rückschluß 13 ist im wesentlichen topfförmig gestaltet mit einem materialstarken Boden 13a, in dessen Mitte sich eine Bohrung befindet, die in Richtung von der Stirnfläche des Geberkopfes weg von einem Kragen 13b umschlossen ist. In die Bohrung 17 des Bodens des magnetischen RUckschlusses bzw. des Kragens 13b ist fest ein Träger 18 eingesetzt, der aus einem ferromagnetischen Material besteht nd zur Verbesserung des Ubergangs der magnetischen Kraftlinie eine große Berührungsfläche mit der Krageninnenseite hat.
• Auf die flache Stirnfläche des Trägers 18 ist zentralsymmetrisch der Hallgenerator 19 aufgebracht, und zwischen die Vorderseite des Hallgenerators 19 und die Rückfläche des Permanentmagneten 15 ist ein Abstandsplättchen 20 eingelegt, welches aus einem magnetisch nichtleitenden Material besteht.
• Dieses Abstandsplättchen dient zur Voreinstellung der Vormagnetisierung des Hallgenerators während des Zusammenbaus, bei welchem der Träger 18 mit dem darauf befindlichen Hallgenerator und dem davorliegenden Abstandsplättchen fest gegen die Rückseite des Permanentmagneten 15 geschoben werden.
• Der magnetische Rückschluß verläuft also über den Zylinderteil 13 und den Boden 13a zum größten Teil unmittelbar zur Rückseite des Permanentmagneten 15, und nur ein kleiner Teil des Magnetflusses verläuft durch den Kragen 13b und den Träger 18 und durchsetzt als praktisch homogenes Feld den Hallgenerator 19 und das Abstandsplättchen 20.
• Die elektrischen Anschlußleitungen 21 des Hallgenerators sind durch den Träger 18 zu dessen rückwärtigem Ende geführt und mit den Adern-eines vieradrigen Panzerkabels 22 verbunden, das unter Zwischensetzen einer Abfangtülle 23 durch eine das Gehäuse 12 auf seiner Rückseite abdeckende Bodenplatte 24 hindurchgeführt ist. Um eine schlagfeste Anordnung zu erhalten, wird der gesamte hintere Hohlraum mit den darin befindlichen Verbindungen mittels eines aushärtenden Gießharzes vergossen.
• Der Geberkopf ist mit diesem Aufbau weitgehend gegen Feuchtigkeit, Schlag und Beschädigung geschützt, wozu einerseits das Vergießen mit Gießharz, andererseits die Kappe 16 beitragen, die neben dem Schutz des Magnetsystems vor Korrosion und Schmutz sowie Verkratzen durch direkt über den Kopf geführte Bleche noch den Vorteil hat, daß die Haftkraft des Magnetsystems herabgesetzt und linearisiert wird und der durch die aus nichtmagnetisierbarem Material bestehende Abdeckkappe entstehende Spalt die Meßfehler bei nicht genau vorbeigeführten Blechen stark mindert. Die Kappe kann außerdem nach längerer Benutzung oder bei Beschädigung gegen eine neue ausgewechselt werden.
• Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Schaltbildes des gesamten Gebergerätes, der die Elemente der Meßbereichseinstellung und der Temperaturkompensation enthält.
• Um eine absolute Temperaturkompensation des magnetisch vorgespannten Hallgenerators zu erreichen, wird der Hall strom mit der Temperatur des Geberkopfes geregelt, gleichzeitig aber unabhängig von den Elementen des Schaltungsteils außerhalb des Geberkopfes hochkonstant gehalten.
• Steuert man den Strompfad mit einer konstanten Spannung, so steigt der Strom mit der Temperatur des Hallgenerators durch die Erniedrigung des Innenwiderstandes (Halbleitereffekt).
• Damit wird die sinkende Verstärkung mit steigender Temperatur teilweise kompensiert. Der Steuerstrom fließt über rolgende Elemente: Widerstand R5, Transistor Ti, Stellwiderstand R6, Hallgenerator HG und Zehnerdiode Z3, worin T1 die veränderliche Regelgröße darstellt. Der integrierte Schaltkreis Q1 mißt die kleine Spannung über dem Hallgenerator und steuert damit T1.
• Ein wesentliches Element ist die vom Hallgenerator gesteuerte Brückenschaltung mit der Sollwerteinstellung. Da die Hall spannung an den Klemmen 3 und 4 des Hallgenerators HG durch die Vormagnetisierung ca.-0,5 V beträgt und die Änderung durch die unterschiedlichen Stellungen magnetisch leitender Teile vor dem Geberkopf nur wenige 10 mV ausmacht, ist es schwierig, einen kompensierten Schwellwertverstärker auf zu bauen, so daß in der vorliegenden Schaltung ein anderer Lösungsweg begangen ist.
• Unter der Voraussetzung, daß der verwendete Hallgenerator weitgehend symmetrisch ist, wird die auszuwertende Hallspannung zwischen einem Stromanschluß 2 des Hallgenerators HG und einem Spannungsanschluß 3 abgegriffen und in der Brückenschaltung mit der konstanten Steuerspannung des Hallstromes, die an den Klemmen 1 und 2 des Hallgenerators HC anliegt, verglichen.
• Die Spannung an den Ausgangsklemmen A2 und A3 wird nun von dem durch die Vormagnetisierung gestörten Symmetrievehältnis im Hallgenerator HG bestimmt. Mit dem stellbaren Widerstand P1 wird Anschluß A2 auf das Niveau des Anschlußpunktes A3 gebracht. Temperaturänderungen der Schaltungselemente mit Ausnahme derer des Hallgenerators können so die Brückenspannung nicht beeinflussen, da die Symmetrieverhältnisse nur durch das Magnetfeld bestimmt werden.
• Da alle den Temperaturgang bestimmenden Bauteile Toleranzen aufweisen, wird darüberhinaus mit dem stellbaren Widerstand R6 eine temperaturunabhängige Zusatzspannung in Brücke eingespeist. Alle drei den Temperaturgang bestimmenden Elemente ergänzen sich durch die gegenseitige Abhängigkeit so, daß am Brückenausgang eine hochkonstante Spannung zur Aussteuerung eines Differenzverstärkers zur Verfügung steht. Nur eine magnetische Flußänderung, die durch äußere Einflüsse im Geberkopf auStritt ändert die Brückenspannung.
• Über die Außenanschlüsse Al und A4 wird die für die Schaltung benötigte Gleichspannung zugeführt In der Fig. 3 ist die Gesamtschaltung in Blockwiedergabe gezeigt. Der Meßwertaufnehmer 25, der dem Geberkopf der Fig. 1 entspricht, ist über das Panzerkabel mit der Schaltung nach Fig. 2 verbunden, deren Elemente aufgeteilt in den Blockbildern 26 und 27 wiedergegeben sind. Der Block 23 verkörpert einen linearen Verstärker, der als Differenzverstärker das an den Ausgangsklemmen A2 und A3 der Fig. 2 abgreifbare Signal auf einige Volt verstärkt, die dann durch ein Gerät 29 unmittelbar zur Anzeige gebracht werden können oder zur Steuerung eines Reglers 30 dienen und die unmittelbar einen Trigger 31 steuern.
• Der Trigger 31 wirkt als Schwellwertschalter, dessen Schaltzustand durch eine Anzeige 32 angezeigt werden kann und dessen Schaltsignal über eine galvanische Netztrennung 33 auf einen Leistungsausgang übertragen wird. Der Leistungsschaltausgang ist in Zwéileiterausführung aufgebaut, was bedeutet, daß sich das gesamte magnetische Gebergerät wie eih mechanischer Endschalter einsetzen läßt. Die Stromversorgung des übrigen Schaltungsteils erfolgt über die Einheit 35.
• Das erfindungsgemäße magnetische Gebergerät hat ein großes Anwendungsgebiet. Es spricht auf alle ferromagnetische Materialien an. Es ist einsetzbar als magnetischer Näherungsschalter und bildet eine sinnvolle Ergänzung zu Magnetschaltern, die durch einen Magnet betätigt werden, zu induktiven Gebergeräten, die durch alle Metalle betätigt werden können, und zu kapazitiven Gebergeräten, deren Betätigung durch fast alle Medien möglich ist. Da das magnetische Gebergerät nach der Erfindung ausschließlich auf ferromagnetische Werkstoffe anspricht, ist es aber auch hervorragend geeignet, unmagnetische Schicht gegenüber Eisen zu messen wie beispielsweise Lack- oder Kunststoffüberzüge. Desweiteren durchdringt es alle antimagnetischen Werkstoffe, ohne diese zu beeinflussen, und schaltet dem eingestellten Schaltabstand entsprechend auf Annäherung ferromagnetischen Materials, so daß es beispielsweise als Füllstandswächter, bei Rohrpost und dergleichen verwendet werden kann. Es ist darüberhinaus als Blechdickenkontrolle für alle ferromagnetischen Werkstoffe einsetzbar, welche das Magnetfeld sättigt, so daß es- Anwendung findet als sogenannter Doppelblechschalter, Positionsmelder oder zur Blechdickenkontrolle in Stanzen, Pressen oder Scheren. Das Gerät hat keine mechanisch bewegten Teile und ist deshalb wegen seiner Störunanfälligkeit den hohen Forderungen in der Automatisierung gewachsen. Beim Einsatz als Näherungsschalter wirkt sich die Anziehungskraft des Magnetsystems kaum nachteilig aus, wogegen die Anziehungskraft beim Einsatz als Doppelblechschalter als Vorteil anzusehen ist, da die vorbeigeführten Bleche durch die Anziehungskraft zusätzlich eine Führungskraft erhalten.

Claims (10)

PATENTANSPRUCHE-

1. Statisch arbeitendes magnetisches Gebergerät mit einem im magentischen Rückschluß eines Permanentmagneten im Tastkopf liegenden Hallgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß der Hallgenerator (HG) symmetrisch ist und zentralsymmetrisch in einen zur Mittelachse zentralsymmetrisch aufgebauten Geberkopf (10) eingesetzt ist und die in einer Brückenschaltung auszuwertende, durch Schwankungen des Magnetflusses wechselnde Spannung des Hallgenerators (HG) zwischen einem Hallstromanschluß (2) und einem Hallspanungsanschluß (3) abgegriffen wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (15) mittig im Geberkopf (10) sitzt und mit von einem magnetisch nichtleitenden Stoff ausgefüllten Zwischenraum vom topfförmigen Rückschluß (13) umgeben ist, die beide an der Stirnfläche des Geberkopfes (10) enden, und daß der Hallgenerator (19) auf einem in der Achsverlängerung des Permanentmagneten (15) einen Nebenweg des Rückschlusses bildenden Halter (18) aus magnetisch leitendem Werkstoff befestigt ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein magnetisch nichtleitendes Abstandsplättchen (20) zwischen dem Permanentmagneten (15) und dem Hallgenerator (19) zur Einstellung einer bestimmten Vormagnetisierung.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der topfförmige magnetische Rückschluß (13) in einen Abstandshaltering (12) aus magnetisch nichtleitendem Material eingesetzt ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine die Stirnfläche des Geberkopfes (10) überdeckende Kappe (16) aus einem dünnen, nichtmagnetisierbaren Edelstahlblech.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Anschlüsse des Hallgenerators (19) an ein vieradriges Panzerkabel (22) bergende Hohlraum im Geberkopf mit Gießharz vergossen ist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen einem Hallstrom- und einem Hallspannungsanschluß (2,3) abgegriffene Hall spannung in der Brückenschaltung mit der konstanten Steuerspannung des Hallstroms verglichen wird.

8. Gerät nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Ein speisung einer temperaturabhängigen Zusatzspannung mittels eines Stellwiderstandes (R6) in die Brückenschaltung.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sein Leistungsschaltausgang eine galvanische Trennung (33) besitzt und in Zweileiterausführung aufgebaut ist.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgung des Leistungsschaltausgangs über den Verbraucher erfolgt.