DE2902790A1

DE2902790A1 - Magnetischer sensor

Info

Publication number: DE2902790A1
Application number: DE19792902790
Authority: DE
Inventors: Jiri Jaroslav Hovorka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-09-05
Filing date: 1979-01-25
Publication date: 1980-03-13
Also published as: IT1117623B; IT7967214A0; GB2029577B; BE873841A; GB2029577A; JPS5537988A; US4258279A; FR2435790A1; CA1124327A

Description

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BLUMBACH · WESER · 3ERGEiM · KRAMER ZWlHNER. BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentcc.isult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 <S200 Wiesbaden Telefon (05121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

ORIN WESLEY COBURN .

Ramona Drive, P.O. Box 626,

Muskogee, Oklahoma 74410,

ü. S. A.

Magnetischer Sensor

Beschreibung:

In allgemeiner Hinsicht ist diese Erfindung auf magnetische Sensoren gerichtet; insbesondere, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, ist die Erfindung auf einen verbesserten magnetischen Sensor gerichtet, zu dem ein Polfortsetzungsmagnet gehört, der innerhalb einer Aussparung einen Permanentmagneten aufweist, und rund um den Polfortsetzungsmagneten eine Aufnahmespule angeordnet ist, die zu den Änderungen des von dem Polfortsetzungsmagneten 2/ ausgehenden Magnetfluß proportionale Ausgangssignale liefert.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. - H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten magnetischen Sensor bereitzustellen, der Ausgangssignale liefert, die zu Änderungen des Magnetflusses proportional sind, der über den Durchlauf von Materialien hinter einem Abschnitt des Sensors induziert wird.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten magnetischen Sensor bereitzustellen, der Ausgangssignale liefert, die eine eindeutige Anzeige für den Durchlauf von entweder Eisenwerkstoffen oder Nicht-Eisenwerkstoffen hinter einem Abschnitt des Sensors darstellen.

Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten magnetischen Sensor bereitzustellen, der einen Polfortsetzungsmagneten mit einer darin ausgebildeten Aussparung zur Aufnahme eines Permanentmagneten aufweist, wobei ein Ende des Polfortsetzungsmagneten im wesentlichen coplanar zu einem Pol des Permanentmagneten ausgerichtet ist, jedoch um einen Abstand rund herum da-von getrennt ist.

Schließlich ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung darauf gerichtet, eine magnetische Abschirmung vorzusehen, in der eine Aussparung solcher Größe ausgebildet ist, daß diese den gesamten magnetischen Sensor und die damit verbundenen Bauteile aufnimmt und im wesentlichen umschließt.

In dem weitesten Sinne wird mit der vorliegenden Erfindung ein magnetischer Sensor bereitgestellt, der aufweist:

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einen Permanentmagneten, dessen erstes Ende eine erste Polarität und dessen zweites Ende eine zweite Polarität aufweist;

einen- Polfortsetzungsmagneten mit einer axialen Aussparung zur Aufnahme des Permanentmagneten, wobei

ein erstes Ende des Polfortsetzungsmagneten an einem Abschnitt des Permanentmagneten, im allgemeinen nahe dessen erstem Ende, anliegt; ein zweites Ende des Polfortsetzungsmagneten einen Abschnitt des Permanentmagneten, im allgemeinen nahe dessen zweitem Ende, im Abstand dazu rundherum einschließt, und

das zweite Ende des Polfortsetzungsmagneten und das zweite Ende des Permanentmagneten im wesentlichen coplanar zueinander ausgerichtet sind; und

eine Aufnahmespule coaxial rund um einen Abschnitt des Umfangs des Polfortsetzungsmagneten angeordnet und über den davon ausgehenden Magnetfluß damit verknüpft ist, so daß die Aufnahmespule zu den Änderungen des Magnetflusses proportionale Ausgangssignale liefert.

Nachfolgend wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung mit Bezugnahme auf die Pig. 1 bis 4 erläutert; es zeigt:

Fig. 1 die Darstellung eines Querschnitts eines magnetischen Sensors nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

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Pig. 2 die Darstellung eines Querschnittes durch den Sensor nach Pig. 1 längs der Linie 2-2;

Pig. 3 die Darstellung eines Querschnittes einer modifizierten Ausführungsform des magnetischen Sensors nach Pig. 1; und

Pig. 4 die Darstellung eines Querschnittes einer weiteren, modifizierten Ausführungsform des magnetischen Sensors nach Pig. 1.

Mit den Piguren, insbesondere mit den Pig. 1 und 2, ist ein verbesserter magnetischer Sensor 10 dargestellt, der entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfird ung aufgebaut ist.Zu dem magnetischen Sensor 10 gehört im wesentlichen ein Permanentmagnet 12, ein Polfortsetzungsmagnet 14 und eine Aufnahmespule 16.

Der Permanentmagnet 12 hat ein erstes Ende 18 mit einer ersten Polarität und ein zweites Ende 20 mit einer zweiten, entgegengesetzten Polarität. Im allgemeinen sind sowohl das erste Ende 18 wie das zweite Ende 20 jeweils im wesentlichen planar ausgebildet und im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Permanentmagneten 12 angeordnet . Obwohl der Permanentmagnet 12 jeden beliebigen Querschnitt aufweisen kann, hat sich die in den Zeichnungen dargestellte, im wesentlichen zylindrische Gestalt als besonders zweckmäßig erwiesen.

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Der Polfortsetzungsmagnet 14 v/eist ein erstes Ende 22 und ein zweites Ende 24 auf; sowohl das erste Ende 22 wie das zweite Ende 24 sind im wesentlichen planar ausgebildet und im wesentlichen senkrecht" zur Längsachse des Polfortsetzungsmagneten 14 angeordnet. Zusätzlich ist am Polfortsetzungsmagneten 14 eine axiale Aussparung 26 ausgebildet, welche sich im wesentlichen zwischen dem ersten Ende 22 und dem zweiten Ende 24 erstreckt; diese axiale Aussparung 26 dient zur Aufnahme des Permanentmagneten 12.· Im einzelnen hat der dem ersten Ende 22 des PoIfortsetzungsrnagneten 14 benachbarte Abschnitt der Aussparung 26 eine solche Größe, daß dieser dicht am Umfang des er-sten Endes 18 des Permanentmagneten 12 anliegt, während der dem zweiten Ende 24 des Polfortsetzungsmagneten 14 benachbarte Abschnitt der Aussparung 26 im Querschnitt wesentlich größer ausgebildet ist, so daß dieser Abschnitt im wesentlichen das zweite Ende 20 des Permanentmagneten 12 in einem rundurnlaufenden Abstand dazu einschließt. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Permanentmagnet 12 in der Aussparung 26 des Polfortsetzungsmagneten 14 angeordnet, wobei das zweite Ende 24 des Polfortsetzungsmagneten 14 und das zweite Ende 20 des Permanentmagneten 12 im wesentlichen coplanar zueinander angeordnet sind.

Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung soll unter der Bezeichnung "Polfortsetzungsmagnet" ein Eisenwerkstoff verstanden werden, der bei Vorhandensein eines Magnetfeldes von vorherrschend einer Polarität eine im gesamten Körper des Werkstoffs induzierte Polarisierung aufweist, welche der vorherrschenden Polarität entspricht. Zum Beispiel ist festge-

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stellt worden, daß ein Stahl mit sehr geringem Kohlenstoffgehalt, nämlich mit weniger als ungefähr 1% Kohlenstoff, wie etwa der handelsüblich zugängliche, kohlenstoffarme Stahl S.A.E. 101 diese Eigenschaften aufweist, insbesondere dann, wenn der Kohlenstoffgehalt des Stahles durch Wärmebehandlung auf einen Wert von kleiner als ungefähr 0,01% Kohlenstoff verringert worden ist. Auf diese Weise führt die enge Zuordnung zwischen dem ersten Ende 22 des Polfortsetzungsmagneten 14 und dem a/eiten Ende 18 des Permanentmagneten 12 zu einer Polarisierung des gesamten Polfortsetzungsmagneten 14 mit der Polarität des ersten Endes 18 des Permanentmagneten 12. Dementsprechend wird das zweite Ende 24 des Polfortsetzungsmagneten 14 eine Polarität aufweisen, die dem zweiten Ende 20 des Permanentmagneten 12 entgegengesetzt ist. Diese enge Nähe von entgegengesetzten Polaritäten führt zu einer relativ hohen magnetischen Kr aftflußdichte in einem Sensorbereich 28 zwischen und benachbart zu den zweiten Enden 20 und 24 von Permanentmagnet 12 und Polfortsetzungsmagnet 14.

Die Aufnahmespule 16 ist gewöhnlich coaxial rund um einen Abschnitt des Umfangs des Polfortsetzungsmagneten 14 angeordnet und wird daher über den von diesem ausgehenden Magnetfluß damit verknüpft sein. Wie das für Fachleute einleuchtend ist, wird die Aufnahmespule 16 Ausgangssignale in der Form schwacher elektrischer ströme liefern, die zu den Änderungen in dem magnetischen Kraftfluß in dem davon eingenommenen Bereich proportional sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform v/eist die Aufnahme-7/8/9

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spule 16 eine relativ große Anzahl von Ampere-Windungen aus einem relativ dünnen, isolierten Draht 30 auf, der um einen Spulenkörper 32 aus Kunststoff oder Phenolharz gewickelt ist. Die Enden des Drahtes 30 sind vorzugsweise über abgeschirmte Kabel 34 mit einer (nicht dargestellten) Detektorschaltung verbunden.

Sofern das angestrebt wird, kann ein magnetischer Widerstand 36 in dem Spalt zwischen dem zweiten Ende 20 des Permanentmagneten 12 und dem zweiten Ende 24 des Polfortsetzungsmagneten 14 angeordnet sein. Für die Zwecke dieser Beschreibung soll unter einem "magnetischen Widerstand" ein Werkstoff verstanden werden, der beträchtliche magnetische Reluktanzen für den Strom des durchtretenden Magnetflusses aufweist. Diese Besonderheit ist in der Fachwelt gut bekannt und kann analog zum elektrischen Widerstandswert eines Widerstandes beim Durchtritt von elektrischen Strömen betrachtet werden. Zum Beispiel kann der magnetische Widerstand 36 aus entweder Kupfer oder Aluminium bestehen, da diese Metalle üblicherweise eine beträchtliche magnetische Reluktanz aufweisen. Bei dieser Ausführungsform wird ein erheblicher Anteil der magnetischen Kraftlinien, die sich üblicherweise über den Spalt zwischen den zweiten Enden und 24 des Permanentmagneten 12 und des Polfortsetzungsmagneten 14 erstrecken, durch den magnetischen Widerstand 36 verteilt, so daß die Kraftfeldlinien bogenförmig zwischen diesen beiden Enden austreten. Die daraus resultierende Zunahme der magnetischen Kraftflußdichte in dem Sensorbereich 28 verbessert die 9/10

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Empfindlichkeit des magnetischen Sensors 10.

In aolchen Fällen, wo der magnetische Sensor IO in einer Umgebung mit anderen zusätzlichen magnetischen Einflüssen, arbeiten soll, kann der magnetische Sensor 1Q in eine magnetische Abschirmung 38 eingeschlossen werden, die eine Aussparung 40 von entsprechender Größe aufweist, daß die zusammengebaute Anordnung aus Aufnahmespule 16, Polfortsetzungsmagnet 14 und Permanentmagnet 12 aufgenommen und im wesentlichen eingeschlossen werden kann. Um den Betrieb des magnetischen Sensors 10 zu erleichtern, soll die magnetische Abschirmung 38 mit einer Zugangsöffnung 42 versehen sein, die im wesentlichen benachbart zu den zweiten Enden 20 und 24 von Permanentmagnet 12 und Polfortsetzungsmagnet 14 ausgebildet ist, so daß diese Öffnung einen Zugang zu dem Sensorbereich 28 gewährleistet. I¹Ur die Zwecke dieser Beschreibung besteht die magnetische Abschirmung 38 vorzugsweise aus einem kohlenstoffreichen Stahl mit zumindest ungefähr 10$ Kohlenstoff und vorzugsweise aus Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt in der Größenordnung von ungefähr 3O?6. Zum Beispiel ist festgestellt worden, daß ein k'ohlenstoffreicher Stahl, der unter der Bezeichnung S.A.E. 1095 handelsüblich zugänglich ist, eine befriedigende magnetische Abschirmung gewährleistet.

Bei der mit Pig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform besteht die Zugangsöffnung 42 aus einem Schlitz 44 von vorgegebener Breite und Tiefe, der sich durch die magnetische Abschirmung 38 benachbart zu der Ebene der zweiten Enden 20 und

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24 von Permanentmagnet 12 und Polfortsetzungsmagnet 14 erstreckt, wobei die Längsachse des Schlitzes 44 orthogonal zu den Längsachsen von Permanentmagnet 12 und Polfortsetzungsmagnet 14 ausgerichtet ist. Bei den mit den Fig. 3 und 4 dargestellten, modifizierten Ausführungsformen, weist die magnetische Abschirmung 38 eine Außenfläche 46 auf, die im wesentlichen coplanar zu den zweiten Enden 20 und 24 von Permanentmagnet 12 und Polfortsetzungsmagnet 14 verläuft. Bei diesen Ausführungsformen besteht die Zugangsöffnung 42 aus einer Öffnung 48,die sich senkrecht durch die Oberfläche 46 coaxial zu den Achsen von Permanentmagnet 12 und Polfortsetzungsmagnet 14 erstreckt, wobei die Öffnung 48 eine solche Größe aufweist, daß sie eng am Umfang des zweiten Endes 24 des Polfortsetzungsmagnetes 14 anliegt.

Es ist festgestellt worden, daß die magnetische Abschirmung 38 dann besonders wirksam ist, wenn deren Innenfläche 50 an den ersten Enden 18 und 20 von Permanentmagnet 12 und Polfortsetzungsmagnet 14 anliegt, so daß die magnetische Abschirmung im wesentlichen mit der gleichen Polarität, wie das erste Ende 18 des Permanentmagneten 12 polarisiert wird. Sofern dies angestrebt wird, kann das Ausmaß der Polarisierung gesteuert werden, indem ein magnetischer Widerstand 52 von vorgegebener Dicke zwischen der Oberfläche 50 der magnetischen Abschirmung 38 und den ersten Enden 18 und 22 von Permanentmagnet 12 und Polfortsetzungsmagnet 14 angeordnet wird.

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In solchen Fällen, wo der magnetische Sensor 10 zur Erzeugung von Ausgangssignalen bezüglich der Anwesenheit von sowohl Eisenwerkstoffen wie Mcht-Eisenwerkstoffen verwendet werden soll, kann die magnetische Flußdichte im Sensorbereich 28 vermindert werden, indem das zweite Ende 20 des Permanentmagneten 12 um einen vorgegebenen kleinen Abstand relativ zur Ebene des zweiten Endes 24 des Polfortsetzungsmagneten 14 zurückgesetzt wird. Sofern dies angestrebt wird, kann die magnetische Flußdiehte weiter verringert werden, indem ein magnetischer Widerstand 54 in dem entstehenden Zwischenraum zwischen dem zweiten Ende 20 des Permanentmagnetes 12 und der Ebene des zweiten Endes 24 des Polfortsetzungsmagneten 14 angeordnet wird.

Beim Betrieb wird der Durchlauf von im wesentlichen jedem beliebigen Werkstoff durch den Sensorbereich 28 Fluktuationen oder Änderungen des Magnetflusses induzieren, welcher die Aufnahmespule 16 mit dem Polfortsetzungsmagneten 14 verknüpft. Solche Änderungen werden proportionale elektrische Ströme in dem Draht 30 induzieren. In Abhängigkeit von der Empfindlichkeit und der Ansprechdauer der (nicht dargestellten) Detektorschältung können diese elektrischen Ströme gemessen werden, um eine eindeutige Anzeige für den festgestellten Werkstoff zu liefern.

Für Fachleute ist verständlich, daß die gewöhnlich ringförmige Ausbildung des Polfortsetzungsmagneten 14 relativ zu dem Permanentmagneten 12 in den erläuterten bevorzugten Ausführungs-

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formen zu einem im wesentlichen hemitoriodalen Magnetfeld in dem Sensorbereich 28 führt. Obwohl festgestellt worden iat, daß diese Ausbildung höchst wirksam und zweckmäßig in der Herstellung ist, können Änderungen an Gestalt oder Anordnung von Teilen oder Elementen der bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

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Claims

BLUMBACH · WESER · 3EIRG^M · KRAiViER ZWiRNER - BREHM PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Patentccnsult RadeckestraOe 43 SOOO München 60 Telefon (089)833603/833604 Telex 05-212313 Telegramme Palsntconsult Patentconsuli Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562945/561998 Telex 04-18623/ Telegramme Paieniconsult ORIN WESLEY GOBUIHi Ramona Drive, P.O. Box 626, Muskogee, Oklahoma 74410, U. S. A. Magnetischer Sensor Patentansprüche:

1. Magnetischer Sensor, gekennzeichnet durch einen Permanentmagneten, dessen erstes Ende eine erste Polarität und dessen zweites Ende eine zweite Polarität aufweist; einen Polfortsetzungsmagneten mit einer axialen Aussparung zur Aufnahme des Permanentmagneten, wohei

ein erstes Ende des Polfortsetzungsmagneten an

einem Abschnitt des Permanentmagneten, im allgemeinen

16/ München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat.

Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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nahe dessen erstem Ende, anliegt; ein zweites Ende des Polfortse1;zungsmagneten einen Abschnitt des Permanentmagneten, im allgemeinen nahe dessen zweitem Ende, im Abstand einschließt^ und das zweite Ende des Polfortsetzungsmagneten sowie das zweite Ende des Permanentmagneten im wesentlichen coplanar ausgerichtet sind; und

eine Aufnahmespule coaxial um einen Teil des Umfangs des Polfortsetzungsmagneten angeordnet und über den davon ausgehenden Magnetfluß damit verknüpft ist, so daß die Aufnahmespule zu den Änderungen des Magnetflusses proportionale Ausgangssignale liefert.

2» Magnetischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

im Spalt zwischen dem zweiten Ende des Permanentmagneten und dem zweiten Ende des Polfortsetzungsmagneten ein magnetischer Widerstand angeordnet ist.

3. Magnetischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
eine magnetische Abschirmung vorhanden ist, in der eine Aussparung solcher Größe ausgebildet ist, um die Aufnahmespule, den Polfortsetzungsmagneten und den Permanentmagneten aufzunehmen und im wesentlichen einzuschließen, wobei die magnetische Abschirmung eine Zugangsöffnung benach-

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t)ärt zu den zweiten Enden von Permanentmagnet und Polfortsetzungsmagnet aufweist.

4. Magnetischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet * daß

die Zugangsöffnung in der magnetischen Abschirmung als Schlitz von vorgegebener Breite und Tiefe ausgebildet ist, der sich durch die magnetische Abschirmung benachbart zu der Ebene der zweiten Enden von Permanentmagnet und Polfortsetzungsmagnet erstreckt,

wobei die Längsachse des Schlitzes orthogonal zu den Längsachsen von Permanentmagnet und Polfortsetzungsmagnet ausgerichtet ist.

5. Magnetischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

eine Außenfläche der magnetischen Abschirmung im wesentlichen coplanar zu den zweiten Enden von Permanentmagnet und PoIfortsetzungsmagnet ausgebildet ist; und

die Zugangsöffnung eine sieh senkrecht durch diese Außenfläche erstreckende und coaxial mit den Achsen von Permanentmagnet und Polfortsetzungsmagnet ausgerichtete Öffnung darstellt, wobei die Öffnung eine solche Größe hat, daß sie bis zum Umfang des zweiten Endes des Polfortsetzungsmagneten reicht.

6. Magnetischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

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die magnetische Abschirmung eine Innenfläche aufweist, die an dem ersten Ende des Polfortsetzungsmagneten anliegt, wobei die magnetische Abschirmung gleichsinnig v/ie das erste Ende des Permanentmagneten polarisiert ist.

7. Magnetischer Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

ein magnetischer Widerstand zwischen der Innenfläche der magnetischen Abschirmung und den ersten Enden von Permanentmagnet und Polfortsetzungsmagnet angeordnet ist.

8. Magnetischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

das zweite Ende des Permanentmagneten relativ zur Ebene des zweiten Endes des Polfortsetzungsmagneten um einen vorgegebenen kleinen Abstand zurückgesetzt ist; und der magnetische Sensor weiterhin einen magnetischen Widerstand in dem Zwischenraum zwischen dem zweiten Ende des Permanentmagneten und der Ebene des zweiten Endes des Polfortsetzungsmagneten aufweist.

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