DE3114352A1

DE3114352A1 - Sensor fuer ferromagnetische materialien

Info

Publication number: DE3114352A1
Application number: DE19813114352
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Ing. 7307 Aichwald Andre; Gerhard Ing.(grad.) 7141 Oberriexingen Busch; Hermann Dr.-Ing. 7146 Tamm Schichl
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1981-04-09
Filing date: 1981-04-09
Publication date: 1982-10-21
Also published as: DE3114352C2

Description

Sensor für ferromagnetische Materialien
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Sensoren für ferromagnetische Materialien. Für solche Sensoren sind elektromagnetische Lösungen bekannt, bei denen bei einem eine Induktionsspule, einen Permanentmagneten und einen Luftspalt enthaltenden magnetischen Kreis durch Vorbeibewegen eines ferromagnetischen Körpers vor dem Luftspalt der Fluß im Kreis verändert und damit eine Spannung in der Spule induziert wurde. Diese Induktionsspannung wird dann als Kriterium für das Vorhandensein eines ferromagnetischen Materials ausgewertet. Zur Drehzahl messung wurden diese Sensoren so eingesetzt, daß auf die Welle, deren Drehzahl gemessen werden soll, ein Zahnrad aufgesetzt wird, dessen Zähne am Luftspalt des Sensors vorbeilaufen. Einmal muß der Luftspalt zwischen Zahnradzahn und Sensor verhältnismäßig eng sein, damit hinreichend große Flußänderungen und damit Spannungen erzielt werden können, ferner ist ein solcher Sensor infolge der Induktionsspule anfällig gegen Fremdfelder, die besonders durch die Zündeinrichtungen bei Verbrennungsmotoren auftreten.
Beispiele für solche Sensoren sind z.B. in der DE-AS 19 11 513, 20 19 801 und 21 54 847 gezeigt.
Die vorliegende Erfindung stellt sich nun zur Aufgabe einen Sensor anzugeben, der bei ähnlich robustem und einfachem Aufbau größere Luftspalte zwischen Sensor und Meßobjekt zuläßt und weniger empfindlich gegen äußere Störfelder ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit einem an Fixpunkten ortsfest eingespannten und mit Elektroden versehenen piezokeramischen Plättchen ein ferromagnetischer Körper kraftschlüssig verbunden ist, daß die an den Elektroden des Plättchens bei Vorbeiführen eines ferromagnetischen Materials an dem Körper bei magnetischer Wechselwirkung auf das Plättchen übertragene und dieses verformende Kraft auftretende piezoelektrische Spannung als Kriterium für das Vorhandensein eines ferromagnetischen Materials ausgewertet wird.
Weiterbildungen dieses Sensors sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung soll nun mit Hilfe der in den Figuren dargestellten Beispiele ausführlich beschrieben werden. Es zeigen dabei: Fig.1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor in auseinandergezogener Darstellung; Fig.2 einen ebensolchen durch eine Variante des Aufbaues; Fig.3 einen Schnitt eines in ein Gehäuse eingebauten Sensors nach Fig.2; Fig.4 eine Skizze für den Einsatz eines Sensors nach Fig.3 für die Bestimmung einer Wellendrehzahl.
In Fig.1 ist mit 1 ein piezokeramisches Plättchen bezeichnet, auf dessen beiden Deckflächen Elektroden 2 und 3 z.B. durch Aufdampfen eines metallischen Belages aufgebracht sind. Ein ferromatnetischer Körper 4 ist kraftschlüssig mit dem Plättchen 1 verbunden, so daß auf diesen Körper 4 einwirkende Kräfte auf das Plättchen 1 übertragen werden. diesen reversibel verformen und so piezoelektrische Spannungen zwischen den Elektroden 2 und 3 verursachen. Der ferromagnetische Körper 4 kann entsprechend dem vorgesehenen Einsatz des Sensors aus weichmagnetischem oder aufmagnetisiertem hartmagnetischem bestehen, im letzten Fall also ein Permanentmagnet sein. Ist das mit 5 bezeichnete und durch den Sensor zu ermittelnde ferromagnetische Material ein weichmagnetischer oder ein nichtaufmagnetisierter hartmagnetischer Werkstoff, so wird man für 4 einen Permanentmagneten einsetzen, der bei Vorbeiführen am Material 5 angezogen wird. Besteht das Material 5 aus einem aufmagnetisiertem hartmagnetischen Werkstoff, ist dieses also selbst ein Permanentmagnet, so wird der Körper 4 aus einem weichmagnetischem Material hergestellt. Wählt man auch in diesem Falle für 4 einen Permanentmagneten, so erhält man abhängig von der magnetischen Polarität des dem Körper 4 gegenüberstehenden Teils des Materials 5 Spannungen unterschieldicher Polarität zwischen den Elektroden 2 und 3. Wenn dieses in Kauf genommen werden kann, läßt sich der ferromagnetische Körper 4 stets als Permanentmagnet ausbilden. Das piezokeramische Plättchen 1 muß dabei an Fixpunkten, z.B. an seinen Rändern ortsfest eingespannt sein während die vom Körper 4 übertragene Kraft zweckmäßig auf die Plättchenmitte einwirkt.
In Fig.2 ist ein Sensor dargestellt, der von dem in Fig.1 gezeigten dadurch abweicht, daß zwischen ferrogmagnetischem Körper 4 und Elektrode 2 des piezokeramischen Plättchens 1 eine Membran 6 zwischengelegt ist. Diese Membran besteht vorzugsweise aus einem leitenden, elastischen und für Membranen geeigneten metallischen Werkstoff, auf der Plättchen 1 mit Elektrode 2 auf der einen Seite und der ferromagnetische Körper 4 auf der gegenüberliegenden Seite durch Löten oder Kleben befestigt sind. Im Falle des Klebens muß sichergestellt werden, daß ein Anschluß für die Elektrode 2 herausgeführt wird, was z.B. durch Einsatz eines Leitklebers geschehen kann. Die Membran kann aber auch aus einem Isoliermaterial bestehen, auf das an der der Elektrode 2 zugekehrten Seite ein leitender Belag aufgebracht ist, durch den dann die Kontaktierung der Elektrode 2 erfolgt. Zweckmäßigerweise überragt die Membran 6 das Plättchen I an seinen Rändern, so daß ein so aufgebauter Sensor an diesen Membranrändern in einer Halterung eingespannt werden kann und so die benötigten Fixpunkte für das Plättchen geschaffen werden.
Fig.3 zeigt nun einen Schnitt durch einen in ein Gehäuse 8 eingebauten Sensor nach Fig.2. Besteht das Gehäuse aus einem metallischen Rohr, so kann die Membran 6 in einer Nut am Gehäuserande eingebördelt, eingelötet oder eingeklebt werden. Am anderen Rohrrande können Anschlußeinrichtungen für den Sensor eingesetzt sein, wobei der Anschluß für die Elektrode 3 durch Anlöten eines Drahtes an den Belag hergestellt ist, der dann mit dem Anschluß der Anschlußeinrichtung verbunden ist. Entsprechend kann die Membran 6 auch in eine Nut eines Kunststoffgehäuses eingesetzt und dort eingeklebt oder thermoplastisch eingebördelt sein. Es muß jetzt allerdings am Membranrand ein Anschlußdraht für die Elektrode 2 angelötet und mit dem zugehörigen Anschluß der Anschlußeinrichtung verbunden werden. Ein Sensor nach Fig.1 und ein solcher nach Fig.2, bei dem die Membran 6 nicht das Plättchen 1 überragt, kann durch Aufkleben bzw. Auflöten der Elektrode 3 auf die eine Stirnfläche eines Rohrstücks aus Metall oder Kunststoff gehaltert werden. Die Elektrode 2 und bei Kunststoffrohr auch die Elektrode 3 wird durch angelötete Anschlußdrähte kontaktiert.
Diese Halterungsart ist nicht in einer Figur dargestellt.
Fig.4 zeigt nun ein mögliches Anwendungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Sensor und zwar seinen Einsatz bei einem Drehzahlmesser. Auf einer Welle 10, deren Drehzahl bestimmt werden soll, ist ein Zahnrad 11 angebracht. Der Sensor ist nun so montiert, daß bei sich drehender Welle 10 die Zahnräder 9 des Zahnrades 11 an dem ferromagnetischen Körper 4 des Sensors vorbeigeführt werden. Hierbei kann zwischen den Zahnköpfen und der Oberkante des ferromagnetischen Körpers ein Luftspalt von 1 bis 3 mm auftreten, ohne daß die vom Sensor abgegebenen Impulse nicht noch beträchtliche Amplituden aufweisen. So wurden an Erprobungsmustern bei 3 mm Luftspalt noch-Amplituden von etwa 6 V gemessen. Wenn ein Zahnknopf den ferromagnetischen Körper 4 des Sensors passiert, wird von seinen Anschlüßsen ein Impuls abgegeben, so daß sich die Wellendrehzahl aus der Anzahl der Impulse pro Minute dividiert durch die Anzahl der Zähne 9 des Zahnrades 11 ergibt.
Zur Auswertung dieser Impulse gibt es eine Reihe von an sich bekannten Möglichkeiten. So kann durch sie ein monostabiler Multivibrator dynamisch gesteuert werden, dessen Ausgangssignale einen Integrationskondensator aufladen, dessen Ladespannung von einem in Drehzahlen geeichten Meßinstrument angezeigt wird.
Es können aber auch die in einer Minute anfallenden Impulse in einem elektronischen Zähler gezählt und dieser Wert durch die Zahnzahl des Zahnrades 11 dividiert und das Ergebnis digital angezeigt werden. Ersparen kann man sich den Divisionsvorgang indem man als Zählzeit nicht eine Minute sondern nur den der Zahnzahl entsprechenden Teil einer Minute wählt. Bei einem sehr stark durch magnetische und elektrische Störungen beeinflußten Einsatzort können die piezoelektrischen Impulse nach Verstärkung in einem im Gehäuse 8 miteingebauten Operationsverstärker dort gleich mittels einer Licht emittierenden Diode in Lichtimpulse umgewandelt und über eine Glasfaserleitung der Auswerteeinrichtung zugeführt werden. Durch diese Maßnahme wird nicht nur eine 100 % Potentialtrennung zwischen Sensor und Auswerteeinrichtung erreicht, sondern es werden auch alle elektrischen und/oder magnetischen Einflüsse auf die Obertragungsstrecke ausgeschaltet.
Außer dem Einsatz des erfindungsgemäßen Sensors zur Drehzahl messung sind noch viele andere Einsatzmöglichkeiten gegeben. So können mit diesem Sensor ferromagnetische Geldstücke, z.B. 10 oder 5 Pfennigstücke dadurch gezählt werden, daß man sie in einer schräggestellten U-Rinne hintereinander herunterrollen läßt. Der Sensor wird unter der Rinne so angeordnet, daß ein Impuls abgegeben wird, wenn das Geldstück ihn passiert. Infolge der Kreisform der Geldstücke wird zwischen den Geldstücken der Abstand zum ferromagnetischen Körper 4, in diesem Falle ein Permanentmagnet, so groß, daß der Sensor kein Signal mehr abgibt. Auf die gleiche Weise können auch Stahl kugeln für Kugellager gezählt werden.
10 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnungen Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Sensor für ferromagnetische Materialien, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß mit einem an Fixpunkten ortsfest eingespannten und mit Elektroden (2,3) versehenen piezokeramischen Plättchen (1) ein ferromagnetischer Körper (4) kraftschlüssig verbunden ist, daß die an den Elektroden (2, 3) des Plättchens (1) bei Vorbeiführen eines ferromagnetischen Materials (5) an dem Körper (4) bei magnetischer Wechselwirkung auf das Plättchen (1) übertragene und dieses verformende Kraft auftretende piezoelektrische Spannung als Kriterium für das Vorhandensein eines ferromagnetischen Materials (5) ausgewertet wird.
2. Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zum Feststellen eines weichmagnetischen bzw. eines nichtaufmagnetisierten hartmagnetischen Materials (5) der Körper (4) ein Permanentmagnet ist.
3. Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zum Feststellen eines aufmagnetisierten hartmagnetischen Materials (5) der Körper (4) aus einem weichmagnetischen Werkstoff besteht.
4. Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zum Feststellen eines auiblagnetisierten hartmagnetischen Materials (5) auch der Körper (4) ein Permanentmagnet ist.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der ferromagnetische Körper (4) unter Zwischenlage einer Membran (6) mit dem piezokeramischen Plättchen (1) verbunden ist.
6. Sensor nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Membran (6) aus einem leitenden metallischen Werkstoff besteht und daß mit ihr die ihr zugekehrte Elektrode (2) verlötet ist.
7. Sensor nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Membran (6) an ihren Rändern (7) das piezokeramische Plättchen (1) überragt.
8. Sensor nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ränder (7) der Membran (6) mit einem Gehäuse (8) formschlüssig verbunden sind.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß bei Einsatz für einen Drehzahlmesser von Wellen der ferromagnetischen Körper (4) den Zähnen (9) eines auf der Welle (10) aufgebrachten Zahnrades (11) gegenübersteht und daß die Wellenumdrehungszahl aus der Anzahl der an den Elektroden (2, 3) pro Minute auftretenden Spannungsimpulse dividiert durch die Anzahl der Zähne (9) des Zahnrades (11) bestimmt wird.
10. Sensor nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Bestimmung der Drehzahl der Welle (10) aus der Anzahl der Spannungsimpulse mittels einer elektronischen Zähl- und Rechenschaltung erfolgt.