DE4133365A1 - Contactless measurement transmission system for machinery with rotating parts, rollers, drums - using permanent magnet, exploits temp. dependence of field in connection with magnetoresistance bridge circuit containing components having opposite coeffts. - Google Patents
Contactless measurement transmission system for machinery with rotating parts, rollers, drums - using permanent magnet, exploits temp. dependence of field in connection with magnetoresistance bridge circuit containing components having opposite coeffts.Info
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Abstract
Description
In der Technik stellt sich immer wieder die Forderung nach der Meßwerterfassung an sich bewegenden Maschinenteilen, wie Rollen, Behälter (Autoklaven) usw. Temperaturen wurden bisher entweder mit Thermoelementen o. ä. oder berührungslos mit Pyrometern gemessen.In technology, there is always a demand moving after the measured value acquisition Machine parts, such as rolls, containers (autoclaves) etc. Temperatures were previously either with thermocouples or similar or measured without contact with pyrometers.
Bei direkter Messung mit Thermoelementen, Pt 100- Widerständen oder anderen temperaturabhängigen Bauelementen entsteht das Problem bei der Meßwertübertragung von dem sich bewegenden Maschinenteil zu einer ortsfesten Station. Schleifringe sind störanfällig und für Thermospannungen von nur einigen mV nicht geeignet, außerdem bringt jede Übergangsstelle von einem Metall auf ein anderes eine Verfälschung durch zusätzliche Thermospannungen.With direct measurement with thermocouples, Pt 100- Resistors or other temperature-dependent components the problem arises in the transmission of measured values from the moving machine part to a fixed station. Slip rings are prone to failure and for thermal voltages of only a few mV not suitable, also brings every transition point a falsification from one metal to another due to additional thermal voltages.
Telemetrische Meßwertübertragung wäre eine Alternative, die jedoch eine Stromversorgung auf dem sich bewegenden Baugruppe voraussetzt. Abgesehen davon, daß Telemetriesender ohnehin teuer sind, ist eine Stromversorgung oft nicht mit einfachem Aufwand zu installieren. Außerdem ist zu prüfen, ob Telemetriesender bei den evtl. dort herrschenden Temperaturen noch arbeiten können.Telemetric transmission of measured values would be an alternative which however has a power supply on it moving assembly. Apart from this, one thing is that telemetry transmitters are expensive anyway Power supply is often not easy to install. It is also necessary to check whether there are telemetry transmitters at the possibly prevailing temperatures there can still work.
Pyrometer sind ebenfalls aufwendig, da sie zumeist teure Linsensysteme zur Fokussierung besitzen, die Empfangssensoren je nach Temperaturbereich teuer sind und zudem meist eine aufwendige Auswerteelektronik verlangen. Zudem sind sie störanfällig durch benachbarte Temperaturstrahler oder Hintergrundstrahlung. Zusätzlich verändert sich der Emissionsfaktor bei nicht homogener Oberfläche und verfälscht damit das Meßergebnis. Pyrometers are also expensive because they are mostly have expensive lens systems for focusing that Reception sensors expensive depending on the temperature range are and usually a complex evaluation electronics desire. They are also prone to failure neighboring temperature radiators or background radiation. The emission factor also changes with non-homogeneous surface and falsified thus the measurement result.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfache andere Möglichkeit der berührungslosen Messung anzugeben.It is an object of the invention, a simple other Possibility to specify contactless measurement.
Es ist bekannt, daß Dauermagneten teilweise eine erhebliche Temperaturabhängigkeit sowohl im B- wie vor allem im H-Feld haben, die einerseits kompensiert und auf der anderen Seite hierbei ausgenutzt werden soll.It is known that permanent magnets are partially a considerable temperature dependence in both B and especially in the H field, which on the one hand compensated and on the other hand exploited here shall be.
Dieses ist jedoch nicht mit jedem beliebigen Dauermagneten möglich, da weitere Effekte sich hier störend bemerkbar machen:However, this is not with any permanent magnet possible because other effects are disruptive here to make noticable:
Die Temperaturabhängigkeit teilt sich auf in eine reversible und eine irreversible Änderung. Erstere gilt es zu nutzen, letztere zu vermeiden, zumal diese noch einen Anteil enthält, der durch metallurgische oder chemisch-strukturelle Veränderungen hervorgerufen wird. Durch künstliche Voralterung von ca. 6 bis 10 Temperaturzyklen läßt sich dieser Effekt weitgehend ausschalten.The temperature dependency is divided into one reversible and irreversible change. The former it is important to use, to avoid the latter, especially since this still contains a portion that is due to metallurgical or chemical-structural changes becomes. Through artificial pre-aging of approx. 6 to 10 temperature cycles Turn off effect to a large extent.
Der andere Effekt der irreversiblen Veränderung
durch Temperatur ist eine thermisch bedingte "Selbstentladung"
des Magneten, die vereinfacht so dargestellt
werden kann, daß bei höheren Temperaturen
die "Weißschen Bezirke" durch erhöhte Schwingungen
der Kristallgitter beweglicher werden. Da bei einem
Stabmagnet die Feldlinien nicht alle senkrecht auf
die Stirnfläche treffen, sondern z. T. schon vorher
schräg in den Stabmantel eintreten, können hier die
"Weißschen Bezirke" besonders leicht umkippen, so
daß im Laufe der Zeit die Magnetisierung immer
schwächer wird (s. Bild 1). Diesem Effekt kann man
durch zweierlei Maßnahmen begegnen:
1. Durch richtige Auswahl des Magnetmaterials. Je
größer die Koerzitivfeldstärke HC, desto widerstandsfähiger
ist das Magnetsystem gegen Entmagnetisierung,
z. B. Seltenerden-Magneten, insbesondere
Samarium-Kobalt-Magnete oder auch Neodynium-Eisen-
Bor-Magnete.
2. Durch künstliche Alterung der Magneten in einem
langsam abnehmenden Wechselfeld, das max. so groß
sein muß wie das höchste zu erwartende Störfeld.
Es werden dabei labile "Weißsche Bezirke" durch
wiederholtes Umpolen in eine stabile Lage gebracht.
3. Durch die richtige Wahl des Arbeitspunktes. Der
Arbeitspunkt ist von der Geometrie des Magneten abhängig.
Bei einem langen Magneten mit kleinem Luftspalt
nähert er sich dem Remanenzpunkt B, bei einem
kurzen Magneten und großen Luftspalt dem Punkt HC
auf der Abszissenachse (Koerzitivfeldstärke).The other effect of the irreversible change due to temperature is a thermally induced "self-discharge" of the magnet, which can be simplified in such a way that at higher temperatures the "Weiss areas" become more mobile due to increased vibrations of the crystal lattice. Since with a bar magnet the field lines do not all meet the face perpendicularly, but e.g. If you enter the rod jacket at an angle in advance, the "Weiss districts" can tip over particularly easily, so that the magnetization becomes weaker and weaker over time (see Fig. 1). There are two ways to counter this effect:
1. By choosing the right magnetic material. The larger the coercive force H C , the more resistant the magnet system is against demagnetization, e.g. B. rare earth magnets, especially samarium-cobalt magnets or neodynium-iron-boron magnets.
2. By artificial aging of the magnets in a slowly decreasing alternating field, the max. must be as large as the highest interference field to be expected. Unstable "Weiss districts" are brought into a stable position by repeated polarity reversal.
3. By choosing the right working point. The working point depends on the geometry of the magnet. With a long magnet with a small air gap it approaches the remanence point B, with a short magnet and a large air gap with the point H C on the abscissa axis (coercive field strength).
An diesem Punkt widersprechen sich die Forderungen und es muß ein möglichst guter Kompromiß gefunden werden: Dauermagneten haben ihren größten Temperaturkoeffizienten in Richtung des H-Feldes. Dieses ist besonders günstig für den Meßwertaufnehmer in Form eines magnetoresistiven Sensors, der nur auf das H-Feld anspricht. In diesem Arbeitspunkt ist jedoch der Magnet den stärksten irreversiblen Einflüssen ausgesetzt, da die Bauform hier sehr kurz und mit großem Luftspalt versehen ist (s. Abb. 1). Thermisch am stabilsten ist er jedoch, wenn der Arbeitspunkt möglichst auf den Punkt B (s. Abb. 2) der Kennlinie liegt. Hier ist der Temperaturkoeffizient jedoch ca. um den Faktor 10 kleiner als im H-Feld. Daher ist als Kompromiß ein Arbeitspunkt zu wählen, der etwas oberhalb des Knickpunktes der Entmagnetisierungskennlinie bei der höchsten zu messenden Temperatur liegt. Hier ist die Selbstentmagnetisierung noch sehr gering und beträgt ca. 0,1% in 10 Jahren. Das setzt allerdings voraus, das die Magneten nicht bis an die Grenze ihrer thermischen Belastbarkeit betrieben werden, sondern nur ungefähr bis zur Hälfte, d. h., daß für einen Meßbereich bis 250°C der Magnet seinen normalen Arbeitsbereich bis ca. 500°C haben muß. Da bei etwas über 500°C die max. Arbeitstemperatur für Magneten liegt, ist 250°C die Obergrenze der Meßbereiche. At this point, the requirements contradict each other and the best possible compromise must be found: permanent magnets have their greatest temperature coefficient in the direction of the H field. This is particularly favorable for the sensor in the form of a magnetoresistive sensor that only responds to the H field. At this point of operation, however, the magnet is exposed to the strongest irreversible influences, since the design here is very short and has a large air gap (see Fig. 1). However, it is thermally most stable when the working point is as close as possible to point B (see Fig. 2) of the characteristic. Here, however, the temperature coefficient is approximately 10 times smaller than in the H field. Therefore, as a compromise, an operating point should be chosen that is somewhat above the kink point of the demagnetization characteristic at the highest temperature to be measured. Here the self-demagnetization is still very low and amounts to approx. 0.1% in 10 years. However, this presupposes that the magnets are not operated to the limit of their thermal load capacity, but only about halfway, ie that for a measuring range up to 250 ° C the magnet must have its normal working range up to approx. 500 ° C. Since the max. Working temperature for magnets is 250 ° C is the upper limit of the measuring range.
Im Prinzip muß der Arbeitspunkt des Magneten aus
zweierlei Gründen oberhalb des Knickpunktes liegen:
1. Um die irreversiblen Verluste gering zu halten,
was besonders wichtig ist, wenn er viel im hohen
Temperaturbereich betrieben wird.
2. Um die Nichtlinearität der Temperaturkurve in
Grenzen zu halten. Dieses ist aus der Entmagnetisierungskennlinie
(Abb. 3) bei Betrachtung der verschiedenen
Arbeitskennlinien deutlich zu ersehen und in
den Abb. 4 und 5 noch einmal für das B- und H-Feld
separat dargestellt.In principle, the working point of the magnet must be above the break point for two reasons:
1. To keep the irreversible losses low, which is particularly important if he is operated a lot in the high temperature range.
2. To keep the non-linearity of the temperature curve within limits. This can be seen clearly from the demagnetization curve ( Fig. 3) when considering the various working curves and is shown separately in Figs. 4 and 5 for the B and H fields.
Wie aus den Kennlinien der Abb. 4 und weiterhin zu ersehen, ist der Temperatureffekt jedoch sowohl für das B- wie auch das H-Feld oberhalb des Knickpunktes relativ schwach im Vergleich zur Gesamtfeldstärke, was eine hohe Kompensation der Grundfeldstärke bedeuten würde bei gleichzeitig hoher Verstärkung des Nutzsignals.As can be seen from the characteristic curves in Fig. 4 and furthermore, the temperature effect for both the B and H fields above the break point is relatively weak compared to the total field strength, which would mean a high compensation of the basic field strength with a high amplification at the same time of the useful signal.
Eine wesentlich höhere Temperaturabhängigkeit und damit eine bessere Meßbarkeit erhält man bei Wahl des Arbeitspunktes unterhalb des Knickes, z. B. bei einem Längen/Durchmesserverhältnis von 0,25 nach Abb. 3. Hier ist jedoch die Entmagnetisierung des Magneten zu beachten. Moderne Samarium-Kobalt-Magneten haben auch in diesem Bereich eine erstaunliche Stabilität, jedoch ist sie von Fall zu Fall zu berücksichtigen, ggf. muß von Zeit zu Zeit eine Nacheichung erfolgen, z. B. einmal jährlich, was durch den ohnehin benötigten Mikroprozessor leicht möglich ist, wie später noch gezeigt wird.A much higher temperature dependency and thus better measurability is obtained when choosing the working point below the kink, e.g. B. with a length / diameter ratio of 0.25 according to Fig. 3. Here, however, the demagnetization of the magnet must be observed. Modern samarium-cobalt magnets also have an astonishing stability in this area, but they have to be taken into account on a case-by-case basis. B. once a year, which is easily possible due to the microprocessor that is required anyway, as will be shown later.
Neben der Temperaturerfassung läßt sich ein Magnet
noch weiter als Sensor für andere Meßgrößen ausnutzen:
Dafür sind alle Meßwerte anwendbar, die ihrer
Natur nach eine Verschiebung des Eisenjoches des
Magneten bewirken können, und damit eine Feldveränderung,
insbesondere sind hier zu nennen:
Weg, Kraft, Druck, Geschwindigkeit, Beschleunigung
usw.
In addition to temperature detection, a magnet can also be used as a sensor for other measured variables: all measured values can be used for this purpose, which by their nature can cause the magnet's iron yoke to shift, and thus a change in field, in particular:
Path, force, pressure, speed, acceleration etc.
Um die Wegänderung des Eisenjoches unabhängig von der Temperatur zu erfassen, sind zwei Messungen mit zwei gleichen Magneten notwendig, der eine zur Temperaturerfassung, der zweite zur Erfassung der Jochänderung. Damit läßt sich neben der Temperaturmessung auch eine Kompensation des Temperatureinflusses der Jochänderungsmessung bewerkstelligen. Befinden sich beide Magneten auf einem sich an einem Sensor vorbei bewegenden Körper, z. B. auf einer rotierenden Scheibe oder Rad, so lassen sich beide Magnetfeldstärken mit einem Sensor auswerten, so daß auch noch Temperatur- oder Alterungsänderungen des Sensors herausfallen.In order to change the way of the Eisenjoches regardless of the temperature, two measurements are to be taken two identical magnets necessary, one for temperature detection, the second to record the yoke change. In addition to the temperature measurement also compensation for the influence of temperature the yoke change measurement. Are located both magnets on one on one another Sensor moving body, e.g. B. on one rotating disc or wheel, so both can Evaluate magnetic field strengths with a sensor so that also changes in temperature or aging of the Sensor fall out.
Bei Verwendung von zwei gleichen Magneten für die Temperatur und die Jochveränderung kann das zu messende Feld für die Jochbewegung immer nur kleiner sein als bei der Temperaturmessung. Damit ist es von einem Mikroprozessor erkennbar, zusätzlich ist sogar eine Vorwärts-/Rückwärtserkennung damit möglich. Mehrere Meßwerte lassen sich dadurch übertragen, daß entsprechend mehrere dieser Einheiten hintereinander geschaltet werden, wobei ein Temperaturfühlmagnet als Referenz immer dabei sein muß. Bei jeder Vorbeifahrt der Magneten am Sensor wird ein Meßwert übertragen, ohne daß eine Energieversorgung auf dem sich bewegenden Maschinenteil vorhanden sein muß. Auch bei mehreren Meßmagneten läßt sich eine Vorwärts-/Rückwärtserkennung weiterhin durchführen bei geschickter asymmetrischer Anordnung des Temperaturmeßmagneten, ggf. lassen sich zwei oder mehrere hiervon als Codierung verwenden.When using two identical magnets for the Temperature and the yoke change can be measured Field for the yoke movement only ever smaller than with temperature measurement. So it is from a microprocessor recognizable, in addition is forward / backward detection is possible. Several measured values can be transmitted in that correspondingly several of these units in a row are switched, with a temperature sensing magnet must always be there as a reference. With everyone Passing the magnets past the sensor becomes a measured value transmitted without a power supply the moving machine part got to. One can also be used with several measuring magnets Continue to perform forward / backward detection with a clever asymmetrical arrangement of the temperature measuring magnet, if necessary, two or more use this as coding.
Die Erfassung und Übertragung von Meßgrößen, die keine Verschiebung des Eisenjoches bewirken können, lassen sich dadurch erreichen, in dem ein an sich bekanntes und für diesen Zweck geeignetes Nachlaufsystem, z. B. mit einem kleinen Motor oder sonstwie geeigneter Vorrichtung verwendet wird, der die mechanische Veränderung am Eisenjoch bewirkt. Nachteilig kann hier allerdings eine notwendige Energieversorgung für das Nachlaufsystem sein. Dabei muß das Eisenjoch nicht unbedingt aus Eisen bestehen, sondern kann auch beispielsweise eine magnetische Flüssigkeit sein oder auch eine reversible Gefügeänderung, die eine Änderung des Magnetfeldes bewirkt. Auch kann statt des Nachlaufsystems eine stromdurchflossene Spule verwendet werden, deren Strom dem Meßwert proportional ist.The acquisition and transmission of measurands that do not Can cause displacement of the iron yoke achieve themselves by doing something that is known per se and a tracking system suitable for this purpose, e.g. B. with a small motor or other suitable Device is used, the mechanical Changes in the Eisenjoch effect. Can be disadvantageous here, however, a necessary energy supply for the after-run system. The Eisenjoch not necessarily made of iron, but can also, for example, a magnetic liquid be or a reversible structural change that causes a change in the magnetic field. Can too instead of the after-run system, a current-carrying one Coil are used, whose current is proportional to the measured value is.
Als Magnetfeldsensor eignen sich alle bekannten Magnetfeldsensoren in unterschiedlicher Weise: Spulen mit entsprechender Auswertung, wie sie z. B. in der Schrift DT 22 19 780 B2 beschrieben ist, nach Art der "Förster-Sonde", nach dem Prinzip des Magnetverstärkers oder ähnlichen Prinzipien. Diese sind alle anwendbar, entsprechen jedoch nicht den Vorstellungen moderner Sensortechnik, da sie in sich zu groß sind. Halbleiterbauelemente wie Magnetdioden oder Hallsensoren haben als analoges Bauelement den Nachteil, daß sie als Halbleiter selbst temperaturabhängig sind und eine entsprechend aufwendige Kompensationsschaltung erfordern. Günstig für diese Anwendung ist ein magnetoresistiver Sensor als Brückenschaltung, ggf. als Halbbrücke, da er temperaturunabhängig bei hohen Gleichtaktfeldstärken sehr empfindlich reagiert. Daher wird er nur noch in der weiteren Betrachtung berücksichtigt, obwohl alle anderen erwähnten Sensoren auch verwendet werden können und das Prinzip der Erfindung nicht tangieren.All known magnetic field sensors are suitable as magnetic field sensors in different ways: coils with appropriate evaluation, as z. B. in the Font DT 22 19 780 B2 is described, according to Art the "Förster probe", based on the principle of the magnetic amplifier or similar principles. These are all applicable, but do not meet the expectations modern sensor technology because it is too big in itself are. Semiconductor components such as magnetic diodes or Hall sensors, as an analog component, have the disadvantage that as a semiconductor it is itself temperature dependent are and a correspondingly complex compensation circuit require. Favorable for this application is a magnetoresistive sensor as a bridge circuit, possibly as a half-bridge, since it is independent of temperature at high common mode field strengths very much is sensitive. Therefore, he is only in the considered further, although all other sensors mentioned can also be used can and do not affect the principle of the invention.
Somit ist aufgabegemäß ein einfaches Verfahren angegeben, nach dem sich in einigen Fällen berührungslos und meist ohne Energiezufuhr Meßwerte von einem sich bewegenden Maschinenteil auf einen festen Teil (Gerüst, Rahmen, Lagerbock o. ä.) übertragen lassen.Thus, according to the task, a simple procedure is specified after being touchless in some cases and mostly without energy supply measured values of one moving machine part on a fixed part (Scaffolding, frame, bearing block or similar) transferred.
Die Abb. 1 zeigt den Feldlinienverlauf des bekannten Stabmagneten 1. Die angedeuteten Feldlinien 2 sollen vor allem noch einmal deutlich machen, daß die Feldlinien 2 nicht nur an den Polflächen 3 (Nordpol) und 4 (Südpol) austreten, sondern schon vorher an den Enden des Stabes, und zwar nicht senkrecht zu den Flächen des Magneten, sondern in der angedeuteten Weise. Damit wird klar, daß Weißsche Bezirke, die am weitesten zum Mittelpunkt des Stabes liegen, durch Schwingungen des Kristallgefüges bei höheren Temperaturen beim Abkühlen in einen ungerichteten Zustand verfallen und damit den Magneten schwächen und so eine langsame Entmagnetisierung bei jedem Temperaturzyklus bewirken. Fig. 1 shows the field line course of the known bar magnet 1 . The indicated field lines 2 are intended to make it clear once again that the field lines 2 emerge not only at the pole faces 3 (north pole) and 4 (south pole), but also at the ends of the rod beforehand, and not perpendicular to the surfaces of the magnet , but in the way indicated. This makes it clear that Weisssche districts, which are furthest to the center of the rod, fall into an undirected state due to vibrations of the crystal structure at higher temperatures during cooling and thus weaken the magnets and thus cause slow demagnetization at every temperature cycle.
Die Abb. 2 ruft noch einmal die bekannte Hysterese- Kurve eines Magneten in das Gedächtnis zurück und zeigt den Quadranten II, der in den folgenden Kurven nur noch dargestellt wird. Ein zunächst nicht magnetisiertes ferromagnetisches Material folgt beim Einbringen in ein magnetisches Gleichfeld zunächst der Neukurve 5, bis der Magnet in der Sättigung ist. Beim langsamen Nachlassen des äußeren Feldes H läßt auch die Induktion B entsprechend der Entmagnetisierungskurve 6 nach. Verschwindet das äußere Feld, so bleibt die Remanenz B und erst beim Umpolen entlädt sich der Magnet und polt sich gem. Kurve 6 um. Ein erneutes Abschwächen und anschließendes Umpolen erfolgt dann gem. Kennlinie 7. Fig. 2 recalls the known hysteresis curve of a magnet and shows Quadrant II, which is only shown in the following curves. An initially non-magnetized ferromagnetic material initially follows the new curve 5 when introduced into a constant magnetic field until the magnet is saturated. When the external field H slowly decreases, the induction B also decreases according to the demagnetization curve 6 . If the external field disappears, the remanence B remains and only when the polarity is reversed does the magnet discharge and polarize in accordance with. Curve 6 around. A renewed weakening and subsequent polarity reversal then takes place according to. Characteristic curve 7 .
Die Abb. 3 zeigt die Kennlinien eines industriell hergestellten Neodynium-Eisen-Bor-Magneten im II. Quadranten des Kennlinienfeldes mit der Temperatur als Parameter. Wie zu erwarten, ist bei den höchsten Temperaturen von hier 140°C (Kurve 12) aufgrund der höheren Gitterbeweglichkeit sowohl das B-Feld wie auch das H-Feld am kleinsten und bei Kurve 8 (-20°C) am größten. Die Kurven 9, 10, 11 sind Zwischenwerte bei +20°C, +60°C und +100°C. Fig. 3 shows the characteristics of an industrially manufactured neodynium-iron-boron magnet in the 2nd quadrant of the characteristic field with the temperature as a parameter. As expected, at the highest temperatures of 140 ° C (curve 12 ) the B-field and the H-field are the smallest due to the higher lattice mobility and the largest at curve 8 (-20 ° C). Curves 9 , 10 , 11 are intermediate values at + 20 ° C, + 60 ° C and + 100 ° C.
Die Arbeitsgeraden 13 sind in den L/D-Verhältnissen von 0,1 (ganz flache Gerade) bis 4,0 eingezeichnet (steilste Gerade). Verfolgt man auf den jeweiligen Arbeitsgeraden die Schnittpunkte mit den einzelnen Temperaturkurven, so stellt man fest, daß im Bereich der Arbeitspunkte größer 2,0 und kleiner 0,25 die Abstände zu den einzelnen Temperaturkurven relativ konstant sind, während im Bereich von größer 0,25 bis ca. 1,5 die Abstände durch die Knicke der Temperaturkennlinien sehr unterschiedlich sind, d. h. im Bereich der Arbeitsgeraden von 0,25 bis 1,5 sind die Induktion bzw. Feldstärke als Funktion der Temperatur zielmlich stark nichtlinear.The working lines 13 are drawn in the L / D ratios from 0.1 (very flat straight line) to 4.0 (steepest straight line). If one follows the intersection points with the individual temperature curves on the respective working straight lines, it is found that in the region of the operating points greater than 2.0 and less than 0.25 the distances to the individual temperature curves are relatively constant, while in the region of greater than 0.25 up to approx. 1.5 the distances are very different due to the kinks in the temperature characteristics, ie, in the area of the working line from 0.25 to 1.5, the induction or field strength as a function of the temperature are purposefully strongly non-linear.
Dieses Verhalten ist in Abb. 4 für die Induktion B dargestellt: Die Kurve 14 entspricht der Arbeitsgeraden für L/D=4,0. Sie ist zwar ausreichend linear, jedoch ist die Änderung mit der Temperatur relativ gering. Die Kurve 15 entspricht dem L/D-Verhältnis 0,75 und verläuft durch die Knickpunkte der B/H-Kennlinien. Dementsprechend hat auch die B/T-Kennlinie einen Knickbereich, der für die Auswertung zumindest schwieriger ist. Kurve 16 gilt für die Arbeitsgerade 0,25. Sie ist wieder einigermaßen linear bei einem guten Hub der Induktion über der Temperatur, jedoch wieder mit dem Nachteil, daß sie eigentlich im verbotenen Bereich liegt, in dem die Selbstentmagnetisierung am größten ist.This behavior is shown in Fig. 4 for induction B: curve 14 corresponds to the working line for L / D = 4.0. Although it is sufficiently linear, the change with temperature is relatively small. Curve 15 corresponds to the L / D ratio 0.75 and runs through the break points of the B / H characteristic curves. Accordingly, the B / T characteristic has a kink area that is at least more difficult for the evaluation. Curve 16 applies to the straight 0.25. It is again somewhat linear with a good stroke of the induction over the temperature, but again with the disadvantage that it is actually in the forbidden range in which the self-demagnetization is greatest.
Abb. 5 entspricht der Abb. 4, jedoch statt des B- Feldes ist das H-Feld dargestellt. Kurve 17 gilt für die Arbeitsgerade 0,25, Kurve 18 für die Arbeitsgerade 0,75, 19 für 2,0 und 20 für 4,0. Wegen der geringen Änderung über der Temperatur ist der Arbeitspunkt 4,0 wenig brauchbar, Kurven 18 und 19 in eingeschränkten Bereichen verwendbar und Kurve 17 über den gesamten Temperaturbereich einsetzbar, unter der Voraussetzung, daß der Magnet in dem verbotenen Bereich noch mit genügender Stabilität arbeiten kann. Fig. 5 corresponds to Fig. 4, but the H field is shown instead of the B field. Curve 17 applies to the working straight line 0.25, curve 18 for the working straight line 0.75, 19 for 2.0 and 20 for 4.0. Because of the small change above the temperature, the operating point 4.0 is of little use, curves 18 and 19 can be used in restricted areas and curve 17 can be used over the entire temperature range, provided that the magnet can still work with sufficient stability in the forbidden area .
Die Abb. 6 zeigt eine mögliche und vorteilhafte Aus gestaltung einer Auswerteschaltung mit einer magne toresistiven Meßbrücke, obwohl, wie schon auf S. 6, Zeile 12 bis 31 erwähnt, auch andere Schaltungen verwendet werden können. Fig. 6 shows a possible and advantageous design of an evaluation circuit with a magnetoresistive measuring bridge, although, as already mentioned on page 6, lines 12 to 31, other circuits can be used.
Die magnetoresistive Brückenschaltung 22 wird durch einen Wechselspannungsgenerator 21 gespeist. Dabei wird an der Brückendiagonalen des Sensors 22 eine Wechselspannung entnommen, die sich mit Einbringen in ein magnetisches Feld ändert. Diese Änderung wird dadurch bewirkt, daß zwei paarweise vorhandene Wi derstände entgegengesetzt auf das Magnetfeld reagie ren, z. B. werden die Widerstände 24 im Magnetfeld größer, die Widerstände 25 entsprechend kleiner. Das unterschiedliche Verhalten ist durch unter schiedliche Schraffur dargestellt. Die an der Brücken diagonalen entnommenen Wechselspannung wird einem an sich bekannten Wechselspannungsverstärker zugeführt, der zusätzlich mit einem auf die Generatorfrequenz abgestimmten Filter 27 versehen sein kann, so daß nur diese Frequenz durchgelassen wird und andere Störspannungen damit wirksam unterdrückt. Da der Sensor 22 durch den Magneten einem starken Gleichfeld ausgesetzt ist, dessen Änderung jedoch für die Messung von Interesse ist, wird dieses Gleichfeld durch eine zusätzliche Aufschaltung einer Wechselspannung kompensiert, die mit dem Potentio meter 23 eingestellt werden kann. Dieses Potentio meter 23 wird parallel zur Sensorbrücke 22 mit Spannung versorgt, so daß Spannungsänderungen des Wechselspannungsgenerators sich kaum auswirken. Die Verwendung von Wechselspannung für die Speisung der Brückenschaltung hat die an sich bekannten Vor teile, daß die Temperaturdrift der Verstärkerschal tung und verfälschende Thermospannungen, die an den verschiedenen Kontaktstellen entstehen können, un wirksam sind. Damit kann dieser Verstärker relativ einfach gestaltet sein. Zur Weiterverarbeitung des Wechselspannungssignales ist es im allgemeinen not wendig dieses gleichzurichten (Gleichrichter 28).The magnetoresistive bridge circuit 22 is fed by an AC voltage generator 21 . In this case, an AC voltage is taken from the bridge diagonal of the sensor 22 , which changes when it is introduced into a magnetic field. This change is caused by the fact that two resistors present in pairs react in opposite directions to the magnetic field, e.g. B. the resistors 24 are larger in the magnetic field, the resistors 25 correspondingly smaller. The different behavior is shown by different hatching. The AC voltage drawn diagonally at the bridge is fed to an AC voltage amplifier which is known per se and which can additionally be provided with a filter 27 which is matched to the generator frequency, so that only this frequency is passed and effectively suppresses other interference voltages. Since the sensor 22 is exposed to a strong DC field by the magnet, the change of which, however, is of interest for the measurement, this DC field is compensated for by an additional connection of an AC voltage, which can be set with the potentiometer 23 . This potentiometer 23 is supplied with voltage parallel to the sensor bridge 22 , so that voltage changes of the AC voltage generator have little effect. The use of AC voltage for the supply of the bridge circuit has the parts known per se that the temperature drift of the amplifier circuit and falsifying thermal voltages that can arise at the various contact points are ineffective. So this amplifier can be made relatively simple. For further processing of the AC voltage signal, it is generally necessary to rectify it (rectifier 28 ).
Diese an sich bekannten Schaltungen können je nach zu erzielender Genauigkeit unterschiedlich gewählt werden. Das gleichgerichtete Signal kann entweder direkt über den Ausgang 32 zur Weiterverarbeitung gelangen oder vorher linearisiert werden und dann zum Ausgang 31 gehen. Die Linearisierung geschieht vorzugsweise über einen Analog-Digitalwandler 29 und einem Mikroprozessor oder aber über eine linea re in reichlicher Zahl bekannte Schaltung oder aber auch durch eine der neueren frei programmierbaren Logikschaltungen in ebenfalls bekannter Weise. Wird die Schaltung gem. Abb. 6 verwendet, kann der vorhandene Mikroprozessor die Kompensation des Gleichfeldes bei definierter Temperatur automatisch vornehmen, dadurch, daß der veränderliche Spannungs abgriff des Potentiometers 23 durch einen Digital/ Analogwandler ersetzt wird und der Prozessor so lange nachregelt, bis der Ableich auf Null oder einen anderen definierten Wert erfolgt ist.These circuits known per se can be selected differently depending on the accuracy to be achieved. The rectified signal can either go directly for further processing via output 32 or be linearized beforehand and then go to output 31 . The linearization is preferably done via an analog-to-digital converter 29 and a microprocessor or via a linear re known in abundance, or also by one of the newer freely programmable logic circuits in a known manner. If the circuit acc. Fig. 6 used, the existing microprocessor can automatically compensate the DC field at a defined temperature by replacing the variable voltage tap of the potentiometer 23 by a digital / analog converter and the processor readjusted until the adjustment to zero or one other defined value has occurred.
Die auf Seite -4-, Zeile 31 bis Seite -6-, Zeile 10 aufgezeigte Möglichkeit, weitere Meßsignale von Wegen, Druck, Beschleunigung o. ä. zu übertragen, wird in Abb. 7 als Funktion des H-Feldes mit dem L/D-Ver hältnis (Änderung des Weges bzw. der Scherung) dar gestellt. Die H- Feldänderung ist zusätzlich abhän gig von der Temperatur als Parameter. Kurve 33 gibt den Verlauf bei -20°C wieder, die Kurven 34, 35, 36 und 37 entsprechend jeweils um +40°C steigend bis +140°C. Aus den Kurven ist ersichtlich, daß nur der Bereich von 1,5 bis 4,0 für diese Aufgabe geeignet ist: Unterhalb 1,5 ist der Temperatureinfluß zu hoch, oberhalb 4,0 wird die Felstärkeänderung zu gering, jedoch ist der hier mögliche Hub groß genug, um Meßwerterfassungen durch Änderungen der Scherung in ausreichend großem Bereich durchzuführen.The possibility shown on page -4-, line 31 to page -6-, line 10, to transmit further measurement signals of distances, pressure, acceleration or similar is shown in Fig. 7 as a function of the H field with the L / D ratio (change in path or shear) is shown. The H field change is also dependent on the temperature as a parameter. Curve 33 shows the course at -20 ° C, curves 34 , 35 , 36 and 37 respectively increase by + 40 ° C to + 140 ° C. From the curves it can be seen that only the range from 1.5 to 4.0 is suitable for this task: Below 1.5 the temperature influence is too high, above 4.0 the change in rim thickness is too small, but the stroke is possible here large enough to carry out measurements by changing the shear in a sufficiently large area.
Die Abb. 8,1 bis 8,4 zeigen prinzipielle Anordnungen, mit denen eine Bewegungsmessung möglich ist. Die Abb. 8,1 und Abb. 8,3 sind Anordnungen für eine gera de Bewegung, die Anordnung Abb. 8,2 und Abb. 8,4 für eine Drehbewegung. Figs. 8.1 to 8.4 show basic arrangements with which a movement measurement is possible. Fig. 8.1 and Fig. 8.3 are arrangements for a straight movement, the arrangement Fig. 8.2 and Fig. 8.4 for a rotary movement.
Die Abb. 8,1 besteht aus einem Magneten 43 und ei nem dahinterliegenden ferromagnetischem Stab 39. Bei Verschiebung dieses Stabes 39 in Pfeilrichtung 42 ändert sich die Scherungsgerade des Magneten im Kennlinienfeld. Diese Änderung wird durch den Sensor 22 aufgenommen. Für die praktische Ausführung der Anordnung ist es vorteilhaft, den ferromagnetischen Stab mit einer Feder gegen den Magneten zu stützen, damit der Stab nicht vom Magneten angezogen und da mit die Messung verfälscht wird. Es ist notwendig, dabei eine Feder mit progressiver Kennlinie zu ver wenden (z. B. durch unterschiedliche Steigung in ei ner Spiralfeder), die den Anziehungskräften in jeder Stellung genau entgegen wirkt. Mechanisch gehalten kann die Anordnung werden z. B. durch einen Topf 40 mit einem Kragen für die Aufnahme der Spiralfeder 41 und einer äußeren Hülle 38, auf dessen Grund der Magnet 43 befestigt ist. Fig. 8,1 consists of a magnet 43 and a ferromagnetic rod 39 behind it. When this rod 39 is moved in the direction of arrow 42 , the shear line of the magnet changes in the characteristic field. This change is recorded by the sensor 22 . For the practical implementation of the arrangement, it is advantageous to support the ferromagnetic rod with a spring against the magnet so that the rod is not attracted to the magnet and the measurement is falsified. It is necessary to use a spring with a progressive characteristic curve (e.g. due to different pitch in a spiral spring) that counteracts the forces of attraction in every position. The arrangement can be mechanically held z. B. by a pot 40 with a collar for receiving the coil spring 41 and an outer shell 38 , on the bottom of which the magnet 43 is attached.
Die Abb. 8,2 zeigt einen rotierenden Stabmagneten 43 in 2 Stellungen, der durch die Rotation das Feld ändert (s. auch Abb. 9 oberer rechter Kurvenzug), das wiederum vom Sensor 22 aufgenommen wird. Fig. 8.2 shows a rotating bar magnet 43 in two positions, which changes the field due to the rotation (see also Fig. 9 upper right curve), which in turn is picked up by sensor 22 .
Die Abb. 8,3 und 8,4 zeigen 2 Beispiele, in denen der Sensor in einem veränderlichen Luftspalt eines an nähernd geschlossenen Magnetkreises angeordnet ist. Der Magnet liegt in Reihe mit einem Eisenjoch 44 und einem ferromagnetischen (Eisen-) Rohrstück 45, in das eine weitere Anordnung 47 geführt wird, die sich in dem Rohr verschieben gem. der Pfeilrichtung 48 läßt und damit die Veränderung des Luftspaltes bewirkt. Figures 8.3 and 8.4 show two examples in which the sensor is arranged in a variable air gap in an approximately closed magnetic circuit. The magnet lies in series with an iron yoke 44 and a ferromagnetic (iron) pipe piece 45 , into which a further arrangement 47 is guided, which move in accordance with the pipe. the arrow direction 48 leaves and thus causes the change in the air gap.
Die Abb. 8,4 stellt eine ähnliche Anordnung dar, bei der die Änderung des Feldes durch eine Drehbewegung erfolgt. Das Eisenjoch 44 ist mit einer Achse 49 versehen, um das sich das Teil 50 in Richtung der Pfeile 51 dreht. Die Erfassung der Feldänderung erfolgt wiederum durch Sensor 22. Fig. 8,4 shows a similar arrangement in which the field is changed by a rotary movement. The iron yoke 44 is provided with an axis 49 about which the part 50 rotates in the direction of the arrows 51 . The field change is again detected by sensor 22 .
Dieses sind nur einige prinzipielle Beispiele für die Veränderung des Magnetfeldes, die je nach Platz möglichkeit in einem konkreten Anwendungsfall unter schiedlich sein kann. Daher kann eine andere Anord nung nicht den Grundgedanken dieser Lehre berühren, z. B. durch Vertauschen von Joch und Magnet o. ä.These are just a few basic examples of the change in the magnetic field depending on the space possibility in a specific application under can be different. Therefore, another arrangement do not touch the basic idea of this teaching, e.g. B. by swapping the yoke and magnet or the like.
In den Beispielen 8 ist in jedem Falle zur Kompen sation des Temperatureinflusses ein 2. Magnet glei cher Bauart in der Nähe und thermisch gekoppelt not wendig. Ein Beispiel hierfür zeigt Abb. 10, bei der Temperaturmeßmagnet 55 und eine Anordnung 56 zur Messung einer mechanischen Größe auf einem Rad mon tiert ist (hier als Kreisbogen dargestellt). Die Anordnung 56 entspricht dabei dem Bild 8,1. Die Meßwertaufnahme erfolgt wieder mit dem festste henden Sensor 22. Das darunterliegende Diagramm zeigt den schematisierten Signalverlauf für den Tem peraturwert 57 und den mechanischen Meßwert 58. Bei gleichen Magneten für Temperatur und mechani sche Größe muß der Temperaturwert gem. Abb. 3 oder Abb. 7 am größten sein, da beim Hinzufügen eines zu sätzlichen Eisenkerns die Scherungsgerade steiler und damit das H-Feld schwächer wird. Damit ist auch eine Vorwärts-/Rückwärtserkennung leicht mög lich.In Examples 8, a second magnet of similar design in the vicinity and thermally coupled is necessary to compensate for the influence of temperature in any case. An example of this is shown in Fig. 10, in which the temperature measuring magnet 55 and an arrangement 56 for measuring a mechanical quantity are mounted on a wheel (shown here as an arc). The arrangement 56 corresponds to the figure 8.1. The measurement is again taken with the fixed sensor 22 . The diagram below shows the schematic signal curve for the temperature value 57 and the mechanical measured value 58 . With the same magnets for temperature and mechanical size, the temperature value according to Fig. 3 or Fig. 7 are the largest, because when adding an additional iron core, the shear line becomes steeper and the H field becomes weaker. This makes forward / backward detection easy.
Ein Störfeldeinfluß 59 kann leicht herausgefunden und vom Prozessor abgezogen werden, wenn das Stör feld während des größten Teils der Umdrehung vor handen war und während dieser Zeit vom Prozessor abgespeichert wurde.An interference field influence 59 can easily be found out and deducted from the processor if the interference field was present for most of the revolution and was stored by the processor during this time.
Die Abb. 9 zeigt eine weitere Möglichkeit, zwei un terschiedlich magnetisierte Scheiben 52 und 53 zur genauen Drehwinkelbestimmung zu verwenden nach der Art der Drehmelder. Dabei kann die Genauigkeit des einfachen Sinuskurvenzugs bei einer Umdrehung mit dem Magneten 52 durch Überlagerung mit einer mehr fach magnetisierten Scheibe 53 vergrößert werden, so wie es früher bei Drehmeldern angewandt wurde. (Heute meist durch digitale Melder verdrängt.) Bei Speicherung der Maxima der Feldstärke einer der beiden Magnete kann u. U. auf einen weiteren Tempe raturmeßmagneten verzichtet werden. Fig. 9 shows another way to use two different magnetized disks 52 and 53 for accurate rotation angle determination according to the type of resolver. The accuracy of the simple sinusoidal curve during a revolution with the magnet 52 can be increased by superimposing it with a disk 53 which has been magnetized more than once, as was previously used for resolvers. (Today mostly replaced by digital detectors.) When storing the maxima of the field strength of one of the two magnets, u. U. to be dispensed with another Tempe raturmeßmagneten.
Die Meßwertaufnahme erfolgt wieder mit dem Sensor 22. Je mehr Magnetkreise auf der Scheibe 53 an geordnet werden, desto größere Genauigkeit ist mit der Anordnung zu erreichen.The measured value is recorded again with the sensor 22 . The more magnetic circuits are arranged on the disk 53 , the greater accuracy can be achieved with the arrangement.
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