DE4425904A1 - Magnetischer Wegsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Wegsensor zur Erfassung der Lage eines Meßobjektes, das berührungslos längs eines als längsgestreckter Streifen ausgebildeten und mit einer über die gesamte Länge des zu erfassenden Weges reichenden Meßwicklung versehenen weichmagnetischen Magnet­ kerns bewegbar ist, bei dem das Meßobjekt den Magnetkern an der dem Meßobjekt benachbarten Stelle sättigt und so einen virtuellen Luftspalt erzeugt, und bei dem an den Enden des Magnetkerns zwei weitere, in Reihe zueinander geschaltete Spulen angeordnet sind.

Ein derartiger Wegsensor ist aus EP 238 922 bekannt. Hier sind die in Reihe zueinander angeordneten Spulen an eine Wechselspannungsquelle so angeschlossen, daß der Magnetkern von ihnen gegensinnig magnetisiert wird, während die längs­ gestreckte Meßwicklung an eine Auswerteeinrichtung zur Erfassung der induzierten Spannungsdifferenz angeschlossen ist.

Dieser Wegsensor liefert bei gleichen Abständen der Win­ dungen der Meßwicklung voneinander eine linear zur Lage des Meßobjektes sich verändernde Ausgangsspannung und ist im Prinzip zur genauen Erfassung der Lage eines Meßobjektes sehr gut geeignet; besitzt aber den Nachteil, daß sein Ausgangssignal, das aus der Differenzspannung der in der längsgestreckten Sekundärwicklung induzierten Spannungen besteht, dann verfälscht wird, wenn ein magnetisches Gleichfeld oder ein niederfrequentes magnetisches Feld in Längsrichtung auf den Magnetkern wirkt, dadurch ein Gleichfeld die Lage des virtuellen Luftspaltes und durch ein Wechselfeld die in der Meßwicklung induzierte Differenzspannung beeinflußt wird.

Als Kernmaterial kann man hier amorphe oder nanokri­ stalline, weichmagnetische Streifen verwenden, die gegen­ über kristallinem Material wesentlich bessere weichmag­ netische Eigenschaften (geringere Koerzitivkraft, geringere Ummagnetisierungsverluste) besitzen, als dies bei normalem, kristallinem Material der Fall ist. Allerdings kann man - bedingt durch das Herstellverfahren amorpher Streifen durch Schnellabschreckung aus dem geschmolzenen Zustand - bei amorphem oder nanokristallinem Material nur Streifen mit geringer Dicke von etwa 20 bis 40 µm herstellen, so daß sich ein sehr dünner magnetischer Querschnitt ergibt. Dieser reicht zwar zur Führung des induzierten Wechsel­ feldes aus, bedingt aber eine schnelle Sättigung durch einwirkende magnetische Störfelder.

Ein Wegsensor mit wechselstromdurchflossener, längsge­ streckter Primärwicklung und zwei gegensinnig geschalteten Sekundärwicklungen ist aus der DE-OS 20 06 996 bekannt. Hier befindet sich eine Primärwicklung zwischen zwei Sekun­ därwicklungen auf einem Magnetkern, der einen in sich ge­ schlossenen Kreis bildet. Zur Erzeugung eines virtuellen Luftspaltes dient beispielsweise ein Kurzschlußring, der einen Streufluß verursacht. Je nachdem, an welcher Stelle der Primärwicklung sich der Kurzschlußring befindet, werden mehr oder weniger Windungen der Primärwicklung zur Speisung der Sekundärwicklungen, die sich zu beiden Seiten der Pri­ märwicklung befinden, eine Spannung erzeugen. Die in den Sekundärwicklungen gebildete, durch entgegengesetzte Hin­ tereinanderschaltung entstehende Differenzspannung ist da­ mit abhängig von der Lage des Kurzschlußringes und damit des Meßobjektes, dessen Weg zu bestimmen ist.

Eine derartige Anordnung ist relativ unempfindlich gegen magnetische Störfelder, da diese gegensinnig in den zuein­ ander parallelen Schenkeln des geschlossenen Magnetkerns wirken und sich so weitgehend aufheben.

Sie erfordert jedoch einen geschlossenen magnetischen Kreis und als Meßobjekt einen magnetischen Shunt, der diesen Kreis in zwei Teilkreise unterteilt. Sie ist damit im Vergleich zu anderen magnetischen Wegsensoren relativ teuer in der Fertigung und erfordert ein großes Bauvolumen, da der Magnetkern zwei längsgestreckte Schenkel, die mitein­ ander verbunden sind, benötigt. Außerdem ändert sich die Induktivität der Primärwicklung abhängig von der Lage des Shunts und damit des Meßobjektes, da die Induktivität einer Wicklung vom Quadrat der Windungszahl abhängt. Damit erhält man ein Ausgangssignal, das nicht nur von der Konstruktion der Primärwicklung, sondern auch von der Lage des Meß­ objektes abhängt. Ein linearer Zusammenhang mit der Lage des Meßobjektes ist damit schlecht zu verwirklichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den eingangs genannten, mit einem streifenförmigen Magnetkern versehenen Wegsensor so zu verbessern, daß er einerseits weiterhin gegenüber dem Wegsensor mit geschlossenem Magnetkreis besonders wirtschaftlich herstellbar ist, und andererseits unter Beibehaltung der Möglichkeit, auf einfache Weise eine lineare Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Lage des Meßobjektes zu verwirklichen, gegenüber magnetischen Stör­ feldern unempfindlicher ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß den Spulen eine Auswerteschaltung zur Erfassung der indu­ zierten Differenzspannung nachgeschaltet ist und daß die Meßwicklung an eine Konstantstromquelle angeschlossen ist, die unabhängig von dem induktiven Widerstand der Meßwick­ lung einen Wechselstrom mit konstanter Amplitude erzeugt.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt. An eine Konstantstromquelle 1, die einen Wechselstrom mit konstanter Amplitude abgibt, ist eine längsgestreckte Meßwicklung 2 angeschlossen, die einen Magnetkern 3 umgibt. Die Konstantstromquelle 1 liefert unabhängig von der sich mit der Lage des Meßobjektes (9) verändernden Induktivität der Meßwicklung 2 einen konstanten Strom Ip, so daß die in den Spulen 6 und 7 induzierten Spannungen nur von der Anzahl der Windungen der Meßwicklung 2 beiderseits des durch das Meßobjekt 9 erzeugten virtuellen Luftspaltes abhängen.

Der Magnetkern 3 besteht aus einem längsgestreckten Strei­ fen 4 aus weichmagnetischem, kristallinem Material sowie aus mehreren Streifen 5 aus weichmagnetischem amorphem Material, die zu beiden Seiten des Streifens 4 aus kristallinem Material angeordnet sind. Mit Abstand von­ einander an den Enden des Magnetkerns 3 befinden sich zwei Spulen 6 und 7, die so hintereinandergeschaltet sind, daß die durch einen Fluß im Magnetkern 3 induzierten Spannungen einander entgegengerichtet sind. An die Spulen 6 und 7 ist eine Auswerteschaltung 8 angeschlossen, die in bekannter Weise einen Meßwert für die Stellung des Meßobjektes 9, das beispielsweise ein Dauermagnet ist, auswertet.

Die bessere Unempfindlichkeit gegen magnetische Störfelder gegenüber der Anordnung nach EP 238 922 ergibt sich dadurch, daß niederfrequente Wechselfelder, die den Magnet­ kern 3 durchsetzen - im Gegensatz zu der bekannten Anord­ nung - ebenfalls in den Spulen 6 und 7 Spannungen indu­ zieren, die sich gegenseitig aufheben, da das den Magnet­ kern 3 durchsetzende Magnetfeld unabhängig von der Lage des Meßobjektes 9 jeweils im Bereich der Spule 6 als auch im Bereich der Spule 7 die gleiche Größe hat.

Der eingeprägte Strom in der Meßwicklung 2 gewährleistet unabhängig von der Lage des Meßobjektes 9 und der dadurch bedingten unterschiedlichen Induktivität der magnetisch durch den virtuellen Luftspalt in zwei Teile geteilten Meß­ wicklung 2, daß immer ein Strom mit konstanter Amplitude durch jede Windung fließt, so daß bei gleichem Abstand jeweils zweier benachbarter Windungen eine lineare Abhängigkeit der an der Reihenschaltung der Spulen 6 und 7 anliegenden Ausgangsspannung von der Lage des Meßobjektes auftritt. Andererseits kann man durch unterschiedlichen Windungsabstand auch andere, definierte Abhängigkeiten einstellen.

Zur Verbesserung der Störempfindlichkeit infolge von ein­ wirkenden Gleichfeldern dient der weichmagnetische, kristalline Magnetkern 3, der gegenüber den Streifen 4 und 5 aus amorphem Material einen größeren Querschnitt sowie eine höhere Permeabilität haben kann, ohne daß sehr viele Streifen übereinanderzuschichten sind. Damit führen auch relativ große Gleichfelder nicht zur Sättigung des Magnet­ kerns 3 und damit zur Verschiebung des durch das Meßobjekt 9 hervorgerufenen virtuellen Luftspaltes.

Die erfindungsgemäße Anordnung schafft somit eine gegen magnetische Störfelder unabhängige Meßanordnung, die sehr einfach aufgebaut ist und in ihren Abmessungen relativ klein gehalten werden kann, da kein geschlossener Magnet­ kreis erforderlich ist. Besonders einfach wird der Aufbau, wenn der kristalline Streifen 4 und die amorphen Streifen 5 miteinander nicht verklebt, sondern von den Wicklungen der Meßwicklung 2 zusammengehalten werden. Auf diese Weise erreicht man eine besonders kostengünstige Fertigung. Es ist allerdings auch möglich, die Streifen 4 und 5 mitein­ ander zu verkleben oder anderweitig zu verbinden. Vorteil­ hafterweise können die Streifen 5 auch aus nanokristallinem Material bestehen, das sich durch Ankristallisation amorpher Streifen herstellen läßt.

Claims (3)

1. Magnetischer Wegsensor zur Erfassung der Lage eines Meßobjektes (9), das berührungslos längs eines als längsge­ streckter Streifen (4, 5) ausgebildeten und mit einer über die gesamte Länge des zu erfassenden Weges reichenden Meß­ wicklung (2) versehenen weichmagnetischen Magnetkerns (3) bewegbar ist, bei dem das Meßobjekt (9) den Magnetkern (3) an der dem Meßobjekt (9) benachbarten Stelle sättigt und so einen virtuellen Luftspalt erzeugt, und bei dem an den Enden des Magnetkerns (3) zwei weitere, in Reihe zueinander geschaltete Spulen (6, 7) angeordnet sind dadurch gekenn­ zeichnet, daß den Spulen (6, 7) eine Auswerteschaltung (8) zur Erfassung der induzierten Differenzspannung nach­ geschaltet ist und daß die Meßwicklung (2) an eine Kon­ stantstromquelle (1) angeschlossen ist, die unabhängig von dem induktiven Widerstand der Meßwicklung (2) einen Wechselstrom (Ip) mit konstanter Amplitude erzeugt.

2. Magnetischer Wegsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Magnetkern (3) einerseits aus einem längsgestreckten Streifen (4) aus weichmagnetischem, kristallinem Material und andererseits aus einem oder mehreren Streifen (5) aus amorphem oder nanokristallinem Material besteht.

3. Magnetischer Wegsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Streifen (4) aus weichmagnetischem Material und die amorphen oder nanokristallinen Streifen (5) durch die aufgewickelte Meßwicklung (2) miteinander verbunden sind.