DE4027200A1

DE4027200A1 - Anordnung zur messung der position eines beweglichen koerpers

Info

Publication number: DE4027200A1
Application number: DE19904027200
Authority: DE
Inventors: Bernt Dipl Phys Dr Paul; Guenther Dipl Ing Thomas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-08-28
Filing date: 1990-08-28
Publication date: 1991-01-03

Description

Die Neuerung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung der Position eines beweglichen Körpers, insbesondere der Position des Kolbens in einem Hydraulikzylinder, mit einem radial magnetisierten Ringmagneten. Der Magnetfluß des Ringmagneten bildet einen Hauptmagnetkreis, dessen magnetischer Widerstand mit der Bewegung des Körpers verändert wird, und einen Refe renzmagnetkreis. Wenigstens einer der Magnetkreise enthält einen Magnetfelddetektor. Mit der Bewegung des Körpers ändert sich die Aufteilung des Magnetflusses auf die beiden Magnet kreise.

Zur Messung der Kolbenposition in Hydraulikzylindern wurden be kanntlich versuchsweise verschiedene physikalische Effekte her angezogen, beispielsweise eine Laufzeitmessung mit Ultraschall, Kräfte durch mechanische Zugfedern, Widerstandsänderung in Potentiometer durch Umsetzung der Linearbewegung in eine Dreh bewegung sowie Änderung einer elektrischen Kapazität durch Ein tauchen eines Stabes mit Kondensatorbelag in die Bohrung der Kolbenstange. Optische Methoden wurden diskutiert, ergaben aber aufgrund der Lichtabsorption im Medium bisher noch keine Lö sungsmöglichkeiten.

Der Neuerung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Position eines beweglichen Körpers kontinuierlich zu messen und zu überwachen. Speziell für Hydraulikanlagen im Bergbau soll eine Messung der Position des Kolbens unmittelbar im Hydraulikzylinder ohne den störanfälligen Umweg über die Abtastung der Position des äuße ren Endes der Kolbenstange möglich sein. Diese Messung der Kol benposition soll außer in Hydraulikzylindern, welche der Bewe gung mechanischer Konstruktionen unter starken Kräften dienen, beispielsweise auch für hydraulische Dämpfungsglieder möglich sein.

Es ist bekannt, daß sich die Kolbenbewegung in einfacher Weise zur Veränderung des magnetischen Widerstandes in einen magneti schen Kreis heranziehen läßt. In einer bekannten Ausführungs form zur Messung der Kolbenposition ist ein radialmagnetischer Ringmagnet vorgesehen, dessen Magnetfluß sich aufteilt auf einen Hauptmagnetkreis, dessen magnetischer Widerstand mit der Bewegung des Körpers veränderbar ist und einen Referenzmagnet kreis, der einen Magnetfelddetektor enthält. Der Kolben, dessen Position gemessen werden soll, befinden sich im Streufeld des Hauptmagnetkreises. Mit der Bewegung des Kolbens ändert sich die Größe eines Luftspalts zwischen dem Kolben und dem Magne ten und damit der magnetische Widerstand im Hauptmagnetkreis. Die Änderung der Feldaufteilung kann vom Magnetfelddetektor erfaßt werden und dient als Maß für die Kolbenposition (PCT/WO 87/06656).

Die Neuerung besteht nun in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Durch die Anordnung eines weiteren Magnetfeld detektors im Hauptmagnetkreis erhält man die Wirkung eines magnetischen Differentialfühlers, wobei durch die konstruktive Gestaltung des variablen Hauptmagnetkreises der maximal meßbare Hub je nach der Länge des variablen Luftspalts einige Milli meter bis wenigstens 1 m betragen kann.

Der mit dem Kolben verbundene rohrförmige Meßkörper aus weich magnetischem Material bestimmt entsprechend der jeweiligen Po sition des Kolbens die axiale Breite des Luftspaltes im Haupt magnetkreis. Der Referenzmagnetkreis ist - abgesehen von Ju stiermöglichkeiten - starr. Die jeweilige Position des Kolbens bestimmt über den magnetischen Widerstand im Hauptmagnetkreis die Verteilung des magnetischen Flusses über die beiden Kreise und damit auch das Verhältnis der von den beiden Magnetfeld detektoren gemessenen Induktion.

Als Magnetfelddetektoren können Hallgeneratoren oder auch Feld platten vorgesehen sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein profilierter Rück schlußkörper mit in Achsrichtung sich verjüngendem Querschnitt vorgesehen. Mit dieser Ausführungsform ist eine Linearisierung der Positionsabhängigkeit des magnetischen Flusses im variablen Hauptmagnetkreis möglich. Ferner kann der rohrförmige Abstands körper zur Linearisierung der Positionsabhängigkeit des magne tischen Flusses an seinem dem Magneten zugewandten Ende mit mindestens einem sich in axialer Richtung verjüngenden Ein schnitt versehen sein.

In einer besonderen Ausführungsform der Anordnung kann der Meßkörper zur Zentrierung innerhalb des Rückschlußrohres mit einer Beschichtung aus nichtmagnetischem Material versehen sein.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 als Ausführungsbeispiel eine Anordnung zur Messung der Kolbenposition in einem Hydraulik zylinder als Querschnitt schematisch veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt eine Variante mit profiliertem Rückschlußkörper und in Fig. 3 ist eine besondere Ausführungsform des Meßkörpers veranschaulicht. Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Darstellung der beiden magnetischen Kreise zur Erläuterung der Wirkungs weise der Anordnung.

In der Ausführungsform einer Anordnung zur Messung der Position eines Kolbens 2 im Gehäuse 4 eines Hydraulik-Zylinders, von dem in Fig. 1 nur der den Meßkreis enthaltende Teil als Quer schnitt schematisch dargestellt ist, bildet der Magnetfluß eines radial magnetisierten Ringmagneten 6 einen Referenzmagnet kreis 8 und einen Hauptmagnetkreis 10. Ein Teil des Magnetge häuses 12 bildet den magnetischen Rückschluß für den Refe renzmagnetkreis 8. Das Magnetgehäuse 12 besteht deshalb wenig stens teilweise aus weichmagnetischem Material. Im Referenz magnetkreis 8 ist ein Magnetfelddetektor 14 und im Hauptmagnet kreis 10 in gleicher Weise ein Magnetfelddetektor 15 angeord net; als Magnetfelddetektor kann vorzugsweise ein Hallgenerator oder auch eine Feldplatte vorgesehen sein. Das durch die Boh rung des Ringmagneten 6 und durch die beiden Detektoren 14 und 15 eingeschlossene zylindrische Volumen wird durch einen Kern 13 aus weichmagnetischem Material ausgefüllt. Zwischen dem Magnetfelddetektor 14 und einem Vorsprung des Magnetgehäuses 12 wird ein Spalt 16 gebildet, mit dessen Größe ein vorbestimmter magnetischer Widerstand des Referenzmagnetkreises 8 eingestellt werden kann. Zur Einstellung dieses Widerstandes kann eine in der Zeichnung nicht dargestellte Schraube aus weichmagnetischem Material dienen, welche beispielsweise vom Boden des Magnetge häuses aus mit einstellbarer Tiefe in den Spalt 16 hineinragt. Der Zwischenraum rechts und links des Ringmagneten 6 kann vor zugsweise mit einem nichtmagnetischen Füllstoff 18 bzw. 19 ge füllt sein, wobei der Füllstoff 18 auch den Spalt 16 ausfüllt. Das Magnetgehäuse 12 ist durch einen Flansch 20 mit der Boden fläche 21 des Hydraulikzylinders druckdicht verbunden. Der von der Position des Kolbens 2 abhängige Magnetfluß des Hauptma gnetkreises 10 durchsetzt, ausgehend vom Ringmagneten 6, einen Teil des Magnetgehäuses 12, ein Rückschlußrohr 24, einen ring zylindrischen Luftspalt 28, einen Teil eines hohlzylindrischen Meßkörpers 26, einen zylindrischen Rückschlußkörper 22 mit der Länge L, den Magnetfelddetektoren 15 und einen Teil des Kerns 13. Der Meßkörper 26 ist mit dem Kolben 2 verbunden und taucht in das Rückschlußrohr 24 ein. Der zylindrische Rückschlußkörper 22, das Rückschlußrohr 24 und der hohlzylindrische Meßkörper 26 bestehen aus weichmagnetischem Material. Mit der Bewegung des Kolbens 2, wird der Meßkörper 26 in Achsrichtung des zylindri schen Rückschlußkörpers 22 bewegt und ändert mit seiner Bewe gung die Größe des Luftspalts 28 und damit den magnetischen Widerstand im Hauptmagnetkreises 10. Diese Widerstandsänderung beeinflußt die Aufteilung des magnetischen Gesamtflusses auf Referenzmagnetkreis 8 und Hauptmagnetkreis 10. Die beiden ma gnetischen Teilflüsse werden von den Magnetfelddetektoren er faßt. Das Verhältnis der erfaßten Teilflüsse dient als Meßgröße für die Positionsmessung des Kolbens 2.

Die Charakteristik der Abhängigkeit des magnetischen Widerstan des des variablen Hauptmagnetkreises 10 von der Position des Kolbens 2 läßt sich durch eine vorbestimmte Profilgebung des Rückschlußkörpers 22 und gegebenenfalls auch des Meßkörpers 26 beeinflussen, insbesondere auch linearisieren. Zu diesem Zweck ist gemäß Fig. 2 ein Rückschlußkörper 22 mit sich in Achs richtung des Kolbens 2 verjüngenden Querschnitt vorgesehen. Der technische Effekt dieser Ausführungsform besteht in einer Ver flachung der Charakteristik mit zunehmendem Abstand des Kolbens 2 vom Flansch 20 und damit vom Ringmagneten 6.

Eine weitere besondere Ausführungsform des Hauptmagnetkreises 10 besteht darin, daß das dem Ringmagneten 6 zugewandte Ende des hohlzylindrischen Meßkörpers 26 gemäß Fig. 3 mit in axia ler Richtung sich verjüngenden Einschnitten 32 versehen ist. In dieser Ausführungsform können zur Erhaltung der mechanischen Stabilität am Ende des Meßkörpers 26 die verhältnismäßig spitz verlaufenden Zungen durch para- oder diamagnetisches Material verbunden oder auch durch ein zusätzliches Stützrohr aus einem derartigen Material gehalten werden.

Die jeweilige Position des Kolbens 2 bestimmt über den magneti schen Widerstand im Hauptmagnetkreis 10 die Verteilung des in Fig. 1 lediglich durch Pfeile angedeuteten magnetischen Flusses über den Referenzmagnetkreis 8 und deren Hauptmagnetkreis 10 und damit auch das Verhältnis der von den beiden Magnetfeld detektoren 14 bzw. 15 gemessenen Induktionen. Die so aufgebaute Meßanordnung wirkt somit wie ein magnetischer Differentialfüh ler, wobei durch die konstruktive Gestaltung des variablen Hauptmagnetkreises 10 der maximal meßbare Hub L je nach der Axialbreite des variablen Luftspalts 28 einige Millimeter bis zu wenigstens 1 m betragen kann.

Der Hauptmagnetkreis 10 befinden sich vollständig innerhalb des einen Arbeitsvolumens des im allgemeinen doppelt wirkenden Hydraulikzylinders. Der Luftspalt 28 ist somit nicht mit Luft, sondern mit einer Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise Öl oder Wasser mit Zusätzen, die der Viskosität und gegebenenfalls auch dem Rostschutz dienen, beispielsweise Glykol, ausgefüllt. Diese Flüssigkeiten sind diamagnetisch und verhalten sich magnetisch näherungsweise wie Luft. Durch Bohrungen im Rückschlußrohr 24, von denen in der Figur nur eine angedeutet und mit 34 bezeich net ist, sowie gegebenenfalls im Meßkörper 26 kann für eine leichte Durchflutung mit der Hydraulikflüssigkeit gesorgt wer den.

Der dia- oder paramagnetische Füllstoff 19 kann zugleich als Dichtung gegen den Arbeitsdruck der Hydraulikflüssigkeit die nen.

Die beiden Magnetfelddetektoren 14 und 15 liefern Signalspan nungen U, die den jeweiligen Induktionen B im Hauptmagnetkreis 10 (Index x) und im konstanten Referenzmagnetkreis 8 (Index 0), sowie, wegen des konstanten Querschnitts der das Magnetfeld führende Eisenkerne, den Induktionsflüssen Φ_x bzw. Φ₀ propor tional sind. Als Meßgröße dient das Verhältis

S = U_x(B_x)/U₀(B₀) = c · Φ_x/Φ₀

mit der Proportionalitätskonstanten c. Zur Beurteilung des Si gnalverlaufs kann eine Näherungsrechnung mit konstanter Permea bilität µ für alle Eisenteile dienen. Hierzu wird die Meßanord nung durch eine in Fig. 4 schematisch angedeutete Modellgeo metrie beschrieben, die den Ringmagneten 6, den Rückschlußkörper 22, das Rückschlußrohr 24 und das in das Rückschlußrohr eintauchende Ende des Meßkörpers 26 mit den verschiedenen Radien r₁ bis r₄, sowie lediglich den äußeren, zwischen Rückschlußrohr 24 und Meßkörper 26 liegenden Teil des Luftspaltes 28 als Bestandteile des Hauptmagnetkreises berücksichtigt.

Berechnet wird der Induktionsfluß Φ_x im Meßkreis als Funktion der Einschubtiefe x des mit dem Kolben 2 verbundenen weichmagnetischen Meßkörpers 26. Nur der in das Rückschlußrohr 24 eintauchende Teil dieses Meßkörpers 26 ist hierfür wesentlich; der übrige Teil wurde deshalb in Fig. 4 fortgelassen. Der Hub des Kolbens 2 wird somit durch Variation der Länge × des in das Rückschlußrohr 24 eintauchenden Meßkörpers 26 im Bereich von x_min = 0 bis x_max = L dargestellt. Mit einer Durchflutung 0 des Ringmagneten 6 läßt sich der Induktionsfluß Φ in jedem magnetischen Teilkreis in Analogie zum Ohmschen Gesetz durch den magnetischen Widerstand R dieses Teilkreises beschreiben:

R = Φ · R.

R kann wie im elektrischen Analogon entsprechend dem Aufbau des Hauptmagnetkreises 10 aus Serien- und Parallelschaltungen zusammengesetzt werden. Im Grenzfall einer gegenüber der Permeabilität µ₀ in Luft großen Permeabilität µ im Eisen kann der magnetische Widerstand in allen Eisenteilen gegenüber dem Widerstand in Luft- bzw. in der Hydraulikflüssigkeit, die sich magnetisch wie Luft verhält - vernachlässigt werden. In dieser Näherung ist der Widerstand R_x durch die Parallelschaltung der beiden radial vom Feld durchströmten Teilwiderstände

gegeben. Damit ist der Gesamtwiderstand R_x im Hauptmagnetkreis 10

Da sich die magnetischen Flüsse im Meß- und Referenzkreis umgekehrt wie die Gesamtwiderstände in diesen Kreisen verhalten, ist

Φ_x : Φ₀ = B_x : B₀ = R₀ : R_x.

Der Referenzkreis 8 kann durch den Einbau und die Einstellung des Spalts 16 so eingerichtet werden, daß der Widerstand R₀ einen Wert im mittleren Bereich vom Gesamtwiderstand R_x annimmt, wobei der Widerstand R₀ konstant ist.

Das Verhältnis der beiden magnetischen Flußdichten ergibt schließlich das Meßsignal

Das Meßsignal S(x) hat somit in dieser Näherung einen linearen Verlauf mit der zu messenden Kolbenposition x:

S(x) = a · x + b.

mit

und

Für eine genaue Messung ist außer einem wenigstens annähernd linearen Signalverlauf noch ein verhältnismäßig großer Hub L des Meßsignals bezogen auf seinen Anfangswert erforderlich. Als Maß hierzu dient das Signal-Hubverhältnis:

Das Signal-Hubverhältnis H hängt in der Näherung mit konstanter Permeabilität nicht von der Meßlänge L ab, sonder nur vom Verhältnis der drei Radien r₁ bis r₃. Die Tabelle zeigt für einige Radienkombinationen das berechnete Signal-Hubverhältnis H:

Insbesondere die angegebene Radienkombination mit 2r₂ = 10,5 mm entspricht einer zweckmäßigen Auslegung. Hier bleiben noch 0,65 mm radiale Spaltbreite zwischen dem Rückflußrohr 24 und dem Meßkörper 26 und der Meßkörper 26 kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mit einer zur Zentrierung dienenden gleitfähigen Kunststoffschicht beschichtet werden, die vorzugsweise noch mit Längsrillen zur Durchströmung der Hydraulikflüssigkeit versehen sein kann.

Bei einem Außendurchmesser 2r₄ des Rückflußrohres 24 von beispielsweise etwa 14 mm sind die Querschnitte dieses Rohres und des Rückflußkörpers 22 etwa gleich groß und damit ihre magnetischen Widerstände pro Längeneinheit wenigstens annähernd gleich. Exakte Gleichheit der magnetischen Widerstände erhält man - bei übereinstimmenden Permeabilitäten - mit einem Radius

somit für die in der Tabelle beispielsweise angenommenen Durchmesser r₁ und r₃ mit einem Außendurchmesser 2r₄ des Rückschlußrohres 24 von 13,72 mm.

Claims

1. Anordnung zur Messung der Position eines beweglichen Körpers, insbesondere der Position des Kolbens in einem Hydraulikzylinder, mit einem radial magnetisierten Ringmagneten, dessen Magnetfluß sich aufteilt auf einen Hauptmagnetkreis und einen Referenzmagnetkreis, von denen wenigstens einer einen Magnetfelddetektor enthält, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Der Hauptmagnetkreis (10) und der Referenzmagnetkreis (8) enthalten jeweils einen Magnetfelddetektor (15 bzw. 14),
b) der Hauptmagnetkreis (10) enthält ein Rückschlußrohr (24) aus weichmagnetischem Material, das einen zylindrischen Rückschlußkörper (22) konzentrisch umgibt,
c) zwischen dem Rückschlußrohr (24) und dem Rückschlußkörper (22) wird ein ringzylindrischer Luftspalt (28) gebildet, dessen Größe mit der Bewegung eines Meßkörpers (26) veränderbar ist,
d) der ringzylindrische Meßkörper (26) ist mit dem Kolben (2) verbunden und in dem von Rückschlußrohr (24) und Rückschlußkörper (22) gebildeten Hohlraum in axialer Richtung beweglich angeordnet (Fig. 1).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetfelddetektoren (14, 15) Hallgeneratoren oder Feldplatten vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein profilierter Rückschlußkörper (24) vorgesehen ist (Fig. 2).

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlußkörper (22) mit sich verjüngendem Querschnitt vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (26) an seinem Ende, das dem Ringmagneten (6) zugewandt ist, mit einem Einschnitt zur Linearisierung der Positionsabhängigkeit des magnetischen Flusses im Hauptmagnetkreis (10) versehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Meßkörpers (26) mit sich in axialer Richtung verjüngenden Einschnitten (32) versehen ist (Fig. 3).

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkörper (26) zur Zentrierung mit einer Beschichtung aus nichtmagnetischem Material versehen ist.