DE3940894C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Positionssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Positionssensor ist aus der DE-OS 34 10 534 bekannt.

Bekannte Positionssensoren bestehen aus einer Spule, in die ein Kern in Abhängigkeit von der Bewegung der beiden Teile mehr oder weniger eintaucht. Auf diese Weise wird die Induktivität der Spulenanordnung verändert, und man erhält ein von der Position des bewegten Kerns abhängiges induktives Signal.

Aus der DE-PS 29 31 381 ist ein Auslenkungs- und Hubfühler bekannt, der zwei koaxial nebeneinander und auf einem hohlzylindrischen Körper angeordnete Spulen gleicher Länge und Windungsanzahl und einen Ferritkern aufweist, dessen Auslenkung gemessen wird. Dabei ist das Verhältnis der Längen von Ferritkern und Spulenkörper ausschlaggebend.

Weiterhin ist aus der DE-OS 33 47 052 ein Wegmeßsensor bekannt, der eine Meßspule und einen verschiebbaren Sensorkern aufweist. Die Oberfläche des Sensorkerns ist mit zwei getrennten Zonen versehen, die hochpermeabel, ferromagnetisch beziehungsweise elektrisch leitfähig, dia- oder paramagnetisch wirken und deren Grenzübergänge mit mindestens einer Meßspule zusammenwirken.

Der in der GB 21 67 563 A beschriebene Positions- und Bewegungssensor enthält eine Treiberspule und eine Sekundärspule, gegen die ein elektrisch leitender Film beziehungsweise eine auf einem Träger aufgebrachte Schicht verschiebbar angeordnet ist. Die im elektrischen Element durch die Primärspule erzeugten Wirbelströme beeinflussen die in der Sensorspule induzierte Spannung, die als analoges oder digitales Signal ausgegeben wird.

Die in den JP 1-9302 A, JP 62-229002 A und JP 61-134601 A angegebenen Positions- und Bewegungssensoren enthalten Hall-Elemente und ähnliche Magnetfeldsensoren, die Magnetfeldänderungen anzeigen. Die verschiebbar angeordneten Elemente, die die Magnetfeldänderung hervorrufen, weisen jeweils eine schräg verlaufende Fläche auf.

Eine abgeschrägte Fläche weisen auch die in einem Magnetfeld bewegbaren Elemente der in der GB 21 32 771 A und JP 56-153202 A beschriebenen Positionssensoren auf.

Der Nachteil der vorbekannten Positionssensoren liegt darin, daß diese Anordnungen nur mit großem apparativen Aufwand in einen Arbeitszylinder integrierbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positionssensor der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der sich auf einfache Weise baulich in einen Stellantrieb integrieren läßt und der mit geringem apparativen Aufwand eine genaue Positions- und Lageerfassung des Antriebs erlaubt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und in den Ausführungsbeispielen enthalten.

Erfindungsgemäß ist ein Positionssensor für zwei relativ zueinander bewegte Teile, von denen ein Teil mit mindestens zwei Spulen und das andere Teil mit mindestens einem nahe den Spulen angeordneten Element zur Beeinflussung des magnetischen Feldes der Spulen in Abhängigkeit von der Position des Elementes verbunden ist, wobei das Element in Bewegungsrichtung eine sich ändernde Permeabilität aufweist und wobei das Element zwei miteinander verbundene, übereinanderliegende Materialien unterschiedlicher Wirbelstromskintiefen aufweist, deren Zusammensetzung im Bereich der Oberfläche des Elements in Bewegungsrichtung variiert, mit einer Primär- oder Treiberspule und mit einer Sekundär- oder Sensorspule versehen, die beide dicht nebeneinander in Bewegungsrichtung des Elements und in zumindest teilweisem Formschluß mit dem Element angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist die Materialstärke des äußeren Teils der zwei übereinander liegenden Materialien kleiner als die halbe Wirbelstromskintiefe dieses Materials und die Wirbelstromskintiefe des Materials des inneren Teils größer als die des Materials des äußeren Teils.

Dieser Positionssensor läßt sich auf einfache Weise in einen Antrieb, z. B. einen Hydraulik- oder Pneumatikzylin­ der, einbauen, indem die beiden Spulen ringförmig um die Betätigungsstange des Zylinders angeordnet sind und in­ dem die Betätigungsstange in Bewegungsrichtung insbesondere eine sich ändernde Permeabilität aufweist. Dies läßt sich z. B. dadurch realisieren, daß die Betätigungsstange leicht koni­ fiziert ist und daß auf den konifizierten Abschnitt eine entgegengesetzt konische Außenschicht z. B. aus Nickel auf­ gebracht wird, so daß die Zylinderform der Betätigungsstange insgesamt erhalten bleibt.

Die ringförmige Anordnung der Sensorspulen um die Betätigungs­ stange ist nur eine der möglichen Ausführungsformen. Die Sen­ sorspulen können auch an einer Seite eines z. B. stabförmigen Trägers angeordnet sein, wobei diese Seite dann auf die Ober­ fläche der Betätigungsstange gerichtet ist.

Die Anschlüsse der Treiber- und der Sensorspule sind mit einer Steuer- und Auswerteelektronik verbunden, die die Treiberspule mit einer Wechselspannung versorgt und die das in der Sensorspule induzierte Signal auswertet.

Wenn die Treiber- und die Sensorspule nahe genug beeinander liegen und der Spalt zwischen diesen Spulen und der Betäti­ gungsstange des Zylinders klein genug ist, erhält man sehr starke Änderungen der induzierten Spannung in der Sensor­ spule in Abhängigkeit von der Position der Betätigungsstange relativ zum Zylindermantel.

Die Auswerteelektronik kann mit einer speicherprogrammier­ baren Steuerung verbunden sein, die wiederum Ventile zur Betätigung des Zylinders ansteuert.

Die kompakte Ausbildung des Positionssensors ermöglicht auch einen Einsatz des Positionssensors in sehr kleinen Stellantrieben und Hydraulikzylindern.

Man kann die in der Sensorpule induzierte Spannung als Funk­ tion der Betätigungsstange linearisieren, indem man die Dickenzunahme der konischen äußeren Graduierungsschicht entsprechend wählt. Die notwendige Dickenzunahme kann vorher durch eine Computerberechnung oder durch Kalibrationsmessun­ gen bestimmt werden. In der Fertigung kann das entsprechende Profil auf eine Betätigungsstange, z. B. aus V2A-Stahl, durch eine computergesteuerte Werkzeugmaschine aufgebracht werden, wobei die zur Konifizierung komplementäre Nickelschicht da­ nach durch einen computergesteuerten elektrolytischen Tauch­ vorgang aufgebracht wird.

Die Fertigung kann auch in der Form durchgeführt werden, daß die im Prinzip konische äußere Graduierung der Permeabilität durch eine besondere Oberflächenbearbeitung der an sich zylinderförmigen Betätigungsstange erfolgt, beispielsweise durch Härtung mit unterschiedlicher Eindringtiefe etwa mit­ tels eines entsprechend gesteuerten Laserhärtungsverfahren.

Da sich der Kopplungsbereich zwischen den Spulen und der Betätigungsstange innerhalb des Zylindermantels befindet, ist die gesamte Anordnung sehr gut gegen elektromagnetische Störstrahlung abgeschirmt und ermöglicht auf diese Weise eine zuverlässige Messung der Position.

Das oben genannte Prinzip des erfindungsgemäßen Positions­ meßsystems wird mathematisch wie folgt beschrieben. Ausge­ gangen wird von zwei nebeneinander angeordneten Spulen, die durch das Element aus zwei übereinanderliegenden Metall­ schichten mit unterschiedlicher Wirbelstromskintiefe mit­ einander gekoppelt sind. Die Wirbelstromskintiefe δ ist dabei wie folgt definiert:

mit

f=Wechselstromfrequenz,
σ=elektrische Leitfähigkeit,
μ=magnetische Permeabilität.

Die in der Sensorspule induzierte Spannung V_s wird in Ab­ hängigkeit von dem Strom i_T durch die Treiberspule anhand folgender Formel beschrieben:

V_s=2 π · f · M₁₂ · i_T

mit

M₁₂=gegenseitige Induktivität zwischen Treiber- und Sensorspule.

In der Auswerteelektronik wird V_s unbelastet erfaßt, was zu einem relativ temperaturstabilen Meßsignal führt. Wenn die Dicke der äußeren Metallschicht weniger als 50% der Wirbelstromskintiefe dieser Schicht beträgt und die innere Schicht der Betätigungsstange eine größere Wirbelstrom­ skintiefe hat, erhält man eine stärkere Abhängigkeit der gegenseitigen Induktivität M₁₂ von der Dicke der äußeren Schicht. Durch die geringen Spulenabstände und den gerin­ gen Abstand zwischen den Spulen der Betätigungsstange wird nicht nur die Größe des Sensors sehr klein gehalten, son­ dern auch ein stärkeres Meßsignal erhalten. Eine weitere Verkleinerung des Sensors ist erreichbar, wenn die Zwei­ spulenanordnung in Form einer Multilitzenwicklung auf einen Ferritringkern aufgebracht wird. Die Sensorspule ist dann eine Litze dieser Multilitzenwicklung. Das er­ haltene Meßsignal wird weiterhin verbessert, wenn man einen Ferritringkern mit einem fokussierenden Effekt ver­ wendet.

Ein mittels Positionssensor und Auswerteelektronik gesteu­ erter Stellantrieb oder Hydraulikzylinder ist wegen seiner hohen Stellgenauigkeit besonders zur Betätigung von Venti­ len geeignet.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Polyvinylfluorid als äußere Schicht der Betätigungsstange, da dieses Material eine sehr gute Elastizität aufweist und damit Dichtungsauf­ gaben übernehmen kann und außerdem aufgrund seiner günstigen elektromagnetischen Eigenschaften einen sehr geringen Luft­ spalt zwischen Spule und Betätigungsstange erlaubt.

Zweckmäßigerweise kann die Graduierung der Permeabilität des Elements durch eine geeignete Oberflächenbearbeitung, die z. B. eine Gefügeveränderung hervorruft, erfolgen. Auch hier­ bei wird der kreisförmige Querschnitt der zylinderförmigen Betätigungsstange nicht verändert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen teilgeschnittenen Längsschnitt eines Arbeits­ zylinders mit einem integrierten Positionssensor;

Fig. 2 einen teilgeschnittenen Längsschnitt eines anderen Arbeitszylinders mit mechanisch angekoppeltem Posi­ tionssensor;

Fig. 3 eine Auswerteschaltung für den Positionssensor zur Steuerung eines Arbeitszylinders, und

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Ferritringkern für die Treiber- und Sensorspule.

Bei dem in Fig. 1 ausschnittsweise dargestellten Arbeitszylin­ der, der z. B. ein Pneumatik- oder Hydraulikzylinder sein kann, und nachfolgend als Hydraulikzylinder 10 bezeichnet ist, ist ein Kolben 12 in einem Zylindermantel 14 axial verschiebbar geführt. Im Zentrum des Kolbens 12 sind axiale Betätigungs­ stangen 16, 18 zur Betätigung von Stellgliedern befestigt. Die Betätigungsstange 18 ist am Längsende des Zylindermantels 14 durch eine Führung 20 geführt, wodurch die Betätigungsstange 18 eine axiale Bewegung mit nur sehr geringem radialem Spiel ausführen kann. Die Führung 20 ist auch mit einer Abdichtung (nicht dargestellt) versehen, um das Druckfluid in dem Druck­ raum 22 zwischen Kolben 12, Zylindermantel 14 und Führung 20 dicht einzuschließen. Die Zu- und Abfuhr des Druckfluids zu und von dem Druckraum 22 wird durch ein elektrisch betätig­ bares Ventil 24 geregelt, das in einer Druck-Fluidleitung 26 angeordnet ist, die den Druckraum 22 mit einer Druck-Fluid- Erzeugung verbindet. Mit der Führung 20 ist weiterhin ein Ring mit einer ringförmigen Spulenanordnung 28 verbunden, z. B. angeflanscht, die die Betätigungsstange 18 umgibt.

Die Spulenanordnung 28 besteht aus einem Ferritringkern 30 z. B. mit einem vorzugsweise T-förmigen Profil und zwei Spulen 32, 34. Diese Spulen sind als Treiberspule 32 und Empfängerspule 34 ausgelegt und koaxial zur Betätigungs­ stange 18 vorgesehen. Die Spulen 32, 34 sind zur Betätigungs­ stange 18 hin mit einer Kunststoffschicht 36 versehen, um eine Beschädigung der Spulen beim Hindurchgleiten der Be­ tätigungsstange zu vermeiden. Der Spalt zwischen den Spulen 32, 34 und der Betätigungsstange 18 liegt zwischen 0,1 und 1 mm. Die Spulen haben vorteilhafterweise auch einen ge­ ringen Abstand von weniger als 1 mm.

Die Betätigungsstange 18 besteht aus einem vom Kolben 12 nach außen konisch zulaufenden, massiven Innenteil 38 aus z. B. V2A-Stahl und einem dieses Innenteil 38 umgebenden hohlzylindrischen Außenteil 40, dessen innere Mantelfläche dem konifizierten Innenteil 38 genau angepaßt ist. Durch diese beiden konifizierten Teile 38, 40 behält die Betäti­ gungsstange 18 die Form eines Kreiszylinders.

Das Außenteil 40 besteht z. B. aus Nickel, dessen Wirbel­ stromskintiefe sich stark von der des V2A-Stahls unterschei­ det. Die Wirbelstromeindringtiefe des Nickels ist wesentlich geringer als die des V2A-Stahls. Die Stärke des Außenteils 40 beträgt am Kolben in etwa 1 µm und an den dem Kolben abgewand­ ten Ende etwa 50 µm. Bei einer Frequenz des Wechselstroms an der Treiberspule 32 zwischen 100 und 200 kHz ändert sich hier­ durch die induzierte Spannung in der Sensorspule in Abhängig­ keit von der Position des Kolbens 12 und damit der Betätigungs­ stange 18 um z. B. 50%. Dies gilt beispielsweise für einen Druchmesser von 20 mm, wobei die Spulentrennung etwa 0,5 mm beträgt und der Spalt zwischen den Spulen etwa 0,3 mm ist. Ein richtig dimensioniertes Spulensystem 28 kann daher eine Posi­ tionsgenauigkeit der Betätigungsstange von ungefähr 1% für Wege zwischen 20 mm und 500 mm liefern. Das erhaltene Meßsignal kann wiederum in einer später noch beschriebenen Auswerte- und Steuerelektronik zur exakten Steuerung des Hydraulik­ zylinders 10 verwendet werden.

Fig. 2 zeigt einen dem Hydraulikzylinder 10 aus Fig. 1 ähnlichen Hydraulikzylinder 42 mit im wesentlichen iden­ tischen Teilen, die mit identischen Bezugszeichen ver­ sehen sind. Der Unterschied zur Anordnung in Fig. 1 be­ steht darin, daß die Betätigungsstange nicht selbst als Spulenkern mit graduierter Wirbelstromskintiefe aus­ gebildet ist, sondern daß der Positionssensor 43 mit der Betätigungsstange 44 des Hydraulikzylinders 42 über ein Verbindungselement 46 verbunden ist. Dieser Positions­ sensor 43 ist wiederum in seinen Bestandteilen identisch zur in Fig. 1 beschriebenen Anordnung aus einer tauchspu­ lenähnlichen Spulenanordnung 28 und einer darin axial be­ weglich gehaltenen Betätigungsstange 48, die wie die Betätigungsstange 18, aus zwei konifizierten konzentrischen Teilen besteht. Bei dieser in Fig. 2 dargestellten Anord­ nung ist zwar der Positionssensor nicht in den Hydraulik­ zylinder 10 integriert, der Positionssensor läßt sich je­ doch leicht von dem Hydraulikzylinder entfernen und bei anderen Geräten einsetzen oder austauschen, falls dies er­ forderlich sein sollte.

In Fig. 3 ist die komplette Auswerteelektronik und Steue­ rung für die in Fig. 1 und 2 beschriebenen Anordnungen prin­ zipiell dargestellt. Die Auswerte- und Steuerungselektronik 50 basiert auf einem Ein-Chip-Computer 52 z. B. als 8-bit-Computer. Am Ausgang 54 des Ein-Chip-Mikroprozessors 52 liegt das Erregungssignal für die Treiberspule 32 an. Der Ausgang 54 ist mit einer Treiberschaltung 56 verbunden, deren Aus­ gangssignal direkt auf die Treiberspule 32 gelegt ist. In Abhängigkeit von der Position der Betätigungsstange 18 oder 48 wird in der Sensorspule 34 ein Signal V_s induziert, das über eine Empfängerschaltung 57 auf einen als Analog-Digi­ tal-Wandler ausgebildeten Eingang 58 des Mikroprozessors 52 geführt ist. Der Mikroprozessor 52 hat weiterhin Ein- und Ausgänge für eine Schnittstelle oder Busverbindung 60, über die der Prozessor mit einer programmierbaren Steue­ rung in Datenaustausch treten kann. Das am Eingang 58 des Mikroprozessors 52 anliegende Signal kann dann in einem Soll-/Ist-Vergleich zur Steuerung des Hydraulikzylinders überprüft werden. Hierfür hat der Mikroprozessor 52 zwei Ausgänge 62, 64 für Treiberschaltungen, mit denen die elektrisch betätigbaren Ventile oder Magnetventile 24 betätigt werden.

Für eine minimale Temperaturdrift kann die Treiberschal­ tung 56 mit einem Konstantstromteil ausgerüstet sein. Die Mikroprozessor-Taktfrequenz sorgt für eine konstante Fre­ quenz des Signals am Ausgang 54. Falls mit der Auswerte­ elektronik über einen großen Temperaturbereich sehr exakte Werte gemessen werden sollen, kann ein Korrekturalgorith­ mus in den Mikroprozessor implementiert werden, der eine Temperaturdrift der elektromagnetischen Einrichtungen 56, 57, 32, 34 kompensiert.

Die gesamte Schaltung 50 kann bei Anwendung von SMD-Tech­ nik z. B. in einem Gehäuse mit einer Ausdehnung von 50 mm×50 mm×15 mm untergebracht werden. Sie wird bei allen obigen Beispielen direkt mit dem Sensorspulensystem ver­ bunden oder in passender Form in die Struktur des pneuma­ tischen Zylinders integriert. Die Hardwarekosten für die Schaltung 50 können sehr niedrig gehalten werden.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt eines Ferritringkerns 70, der eine Fokussierung des magnetischen Feldes in Richtung auf die Betätigungsstange 18, 48 ermöglicht.

Der Ferritkern 70 weist dabei im Axialschnitt eine Kegel­ stumpfform auf, wobei bevorzugterweise der kleine Durch­ messer des Ferritkerns der Sensorspule zugeordnet ist.

Claims (9)

1. Positionssensor für zwei relativ zueinander bewegte Teile, von denen ein Teil mit mindestens zwei Spulen und das andere Teil mit mindestens einem nahe den Spulen angeordneten Element zur Beeinflussung des magnetischen Feldes der Spulen in Abhängigkeit von der Position des Elementes verbunden ist, wobei das Element in Bewegungsrichtung eine sich ändernde Permeabilität aufweist und wobei das Element zwei miteinander verbundene, übereinanderliegende Materialien unterschiedlicher Wirbelstromskintiefen aufweist, deren Zusammensetzung im Bereich der Oberfläche des Elements in Bewegungsrichtung variiert, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Spule (32) als Primär- oder Treiberspule und die andere Spule (34) als Sekundär- oder Sensorspule ausgebildet ist,
daß die beiden Spulen (32, 34) dicht nebeneinander in Bewegungsrichtung des Elements (18, 48) und in zumindest teilweisem Formschluß mit dem Element (18, 48) angeordnet sind,
daß die Materialstärke des äußeren Teils (40) der zwei übereinanderliegenden Materialien kleiner als die halbe Wirbelstromskintiefe dieses Materials ist und das Material des inneren Teils (48) eine größere Wirbelstromskintiefe als das Material des äußeren Teils (40) aufweist.

2. Positionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (18, 48) als Betätigungsstange eines Zug- und/oder Druckzylinders (10) ausgebildet ist und daß die Spulen (32, 35), die fest mit dem Zylinder (10) verbunden sind, ringförmig ausgebildet und dicht benachbart zur Betätigungsstange (18, 48) angeordnet sind.

3. Positionssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (32, 34) in Form einer Multilitzenwicklung angeordnet sind, wobei für die Sensorspule (34) eine Litze vorgesehen ist.

4. Positionssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (32, 34) einen Ferritringkern (30) aufweisen, der die Betätigungsstange (18, 48) umgibt.

5. Positionssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Ferritkern (70) der Treiberspule (32) zur Fokussierung des magnetischen Feldes in Richtung auf die Betätigungsstange (18, 48) ausgebildet ist.

6. Positionssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsstange (18, 48) aus zwei miteinander verbundenen und zueinander konzentrischen Teilen (38, 40) mit unterschiedlicher Permeabilität und Leitfähigkeit besteht, deren Durchmesser in axialer Richtung variiert, wobei die Grenzfläche zwischen den Teilen (38, 40) die Form einer Kegelmantelfläche hat.

7. Positionssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das außenliegende Material (40) des Elements (18, 48) Nickel oder Polyvinyldifluorid ist oder enthält.

8. Positionssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedliche Permeabilität des äußeren Teils (40) einer Betätigungsstange (18, 48) durch eine eine Gefügeveränderung hervorrufende Oberflächenbearbeitung, beispielsweise Laserhärtung, erfolgt.

9. Positionssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Gefügeveränderung der kreisförmige Querschnitt der Betätigungsstange (18, 48) erhalten bleibt.