DE69420299T2

DE69420299T2 - Positionsanzeiger

Info

Publication number: DE69420299T2
Application number: DE1994620299
Authority: DE
Inventors: Ymker Lefert
Original assignee: Hydraudyne Cylinders BV
Current assignee: Hydraudyne Cylinders BV
Priority date: 1993-03-30
Filing date: 1994-03-28
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2014-03-29
Also published as: EP0618373A1; DE69420299D1; EP0618373B1; NL9300565A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position einer metallischen Kolbenstange relativ zu einem ausgewählten Bezugspunkt.
Diverse Lösungen sind bereits zum Bestimmen der Position einer beweglichen Kolbenstange vorhanden. Es gibt zum Beispiel sowohl einfache Positionsdetektoren, die außen an der Kolbenstange angebaut sind, mechanische Schalter, die in den Zylinder eingebaut sind, als auch akustische und magnetische Signalverarbeitungssysteme, die in den Zylinder eingebaut sind. All diese Systeme erfordern Bauteile, die in den Zylinder einzubauen sind, oder Bauteile, die an der Kolbenstange zu befestigen sind, oder eine Kombination davon. All diese Lösungen weisen Einschränkungen auf, wie zum Beispiel in den Bereichen der Empfindlichkeit hinsichtlich Funktionsstörung, Abnutzung, Einschränkung der Hublänge, Anfälligkeit, Wartung und leichter Austauschbarkeit.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position einer Kolbenstange relativ zu einem Bezugspunkt, bei welcher die Umfangsfläche der Kolbenstange ein im wesentlichen tangential gerichtetes Profil mit einem Muster aufweist, das sich selbst in Axialrichtung wiederholt, mit einem magnetischen Teil, welches relativ zu dem Bezugspunkt zum Erzeugen eines Magnetfeldes befestigt wurde, welches durch das Profil beeinflußt wird, zumindest zwei Sensoren, die relativ zu dem Bezugspunkt zum Erfassen der Stärke des Magnetfeldes befestigt sind, und einem Verarbeitungsschaltkreis zum Verarbeiten der Signale, die von den Sensoren erzeugt werden, wobei die Sensoren einen Abstand in Axialrichtung zueinander aufweisen, welcher gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Höhe des Profils zuzüglich oder abzüglich eines Viertels der Höhe ist.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der EP-A-0115008 bekannt.
Bei dieser Vorrichtung nach dem Stand der Technik weisen die Mittel zum Erzeugen eines Magnetfeldes Spulen auf, die relativ zur Kolbenstange konzentrisch angeordnet sind. Demzufolge erzeugen diese Spulen ein Magnetfeld, welches sich relativ zur Kolbenstange im wesentlichen axial erstreckt. Die Axialverschiebung der Kolbenstange führt zu einer Änderung der Position des Profils. Diese Änderung hat jedoch eine minimale Auswirkung auf den tatsächlichen Teil des Magnetfeldes. Ferner ist diese Änderung infolge der ebenso axialen Position der Meßspulen nur in einem begrenzten Umfang meßbar. Anders ausgedrückt wird das Kuppeln zwischen der Erzeugerspule und der Meßspule nur in beschränkter Weise durch das Positionieren der Kolbenstange beeinflußt. Demzufolge sind die Empfindlichkeit und die Auflösung dieser bekannten Vorrichtung eingeschränkt.
Das Ziel der Erfindung ist es, eine solche Positionserfassungsvorrichtung zu schaffen, bei welcher eine größere Empfindlichkeit und eine größere Auflösung möglich sind.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht,
- daß das magnetische Teil angeordnet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das sich im wesentlichen tangential oder radial erstreckt;
- daß die Sensoren jeweils ein magnetoresistives Element aufweisen, das in einen Brückenschaltkreis integriert ist;
- daß das Profil abgeschrägt ist; und
- daß das Profil in dem einen Stück Keramikmaterial mit einer durchgehenden Schicht bedeckt ist, welche an ihrer Außenfläche glatt ist, und welche benachbart zu und angepaßt an dem Profil der Kolbenstange angeordnet ist, und deren magnetische Eigenschaften sich von denen der Kolbenstange unterscheiden.
Die Anwendung von magnetoresistiven Sensoren ermöglicht eine größere Freiheit bei der Bestimmung der Richtung des Magnetfeldes, so daß es derart gerichtet sein kann, daß die Sensoren einer größeren Änderung in der Stärke des Magnetfeldes ausgesetzt sind, wenn die Position der Kolbenstange geändert wird. Das Magnetfeld kann relativ zur Kolbenstange tangential oder radial gerichtet sein. In beiden Fällen wird das Magnetfeld am Umfang der Kolbenstange durch die Position des Profils stark beeinflußt. Ferner ermöglicht eine solche Richtung des Magnetfeldes eine größere Freiheit in der Position des Magneten zum Erzeugen des Magnetfeldes.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Profil Rippen und Nuten auf, und die Rippen und die Nuten haben dieselbe Breite.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter erläutert, wobei:
Fig. 1 eine perspektivische, teilweise weggebrochene Ansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Sensors zeigt, der mit einer umhüllten, profilierten Kolbenstange zusammenwirkt.
Fig. 1 zeigt eine metallische Kolbenstange 1, die mit einem Längsflächenprofil 2 tangential und nacheinander angeordneter Nuten versehen ist, und welche mit einer elektrisch nichtleitenden Deckschicht 3 umhüllt ist. Ein Zylinder 4 mit einem in dem Zylinderkopf 5 befestigten Sensor 6 dient zum Bestimmen der Position der Kolbenstange 1. Der Sensor 6 ist zwischen der Kolbenstange 1 und Mitteln 7 zum richtigen Positionieren eines Magnetfeldes angeordnet. Die Figur zeigt ferner Mittel 8 zum Anpassen und Verarbeiten der Änderungen in dem Magnetfeld, die durch den Sensor 6 in elektrische Signale umgewandelt werden.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist der Sensor 6 im wesentlichen zwei Brückenschaltkreise 9, 10 auf, die jeweils aus zwei magnetoresistiven Elementen 11, 12 bzw. 13, 14 und zwei normalen Widerständen 15, 16 bzw. 17, 18 zusammengesetzt sind. Beide Brückenschaltkreise wurden derart positioniert, daß der Abstand zwischen der Mitte der beiden Brückenschaltkreise gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Höhe des Profils zuzüglich oder abzüglich eines Viertels der Höhe ist. Im vorliegenden Fall ist der Abstand 1³/&sub4; mal der Höhe. Als Folge dieses Merkmals ist sichergestellt, daß immer einer der Sensoren in einem vorübergehenden Teil des im wesentlichen sinusförmigen Magnetfeldes ist, so daß die Auflösung so groß wie möglich ist.
Ferner wird angemerkt, daß bei der bevorzugten Ausführungsform, die in Fig. 2 dargestellt ist, die Ränder des Profils abgeschrägt sind. Dies bewirkt einen annähernd sinusförmigen Effekt an dem Magnetfeld, das durch den Magneten durch das Profil erzeugt wird, welches ein Vorteil bei der Verarbeitung der daher erzeugten Signale ist.
Beide Brückenschaltkreise 9, 10 werden durch einen Generator 19 versorgt. Der Generator 19 erzeugt ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von mehreren Zehntel kHz. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist die Phase der beiden den Brückenschaltkreisen 9, 10 zuzuführenden Signale gleich. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform gibt es eine Phasendifferenz von 90º zwischen den den beiden Brückenschaltkreisen zuzuführenden Signalen. Die von den Brückenschaltkreisen 9, 10 kommenden Signale werden jeweils einem in dem Sensor 6 integrierten Verstärkerschaltkreis 21 bzw. 22 zugeführt. Ferner werden sie einem Verarbeitungsschaltkreis 8 über ein gemeinsames Kabel 23 zugeführt. Diesbezüglich wird angemerkt, daß die Sinusgeneratoren 19, 20 in dem Sensor 6 vorhanden sein können, aber daß sie auch in dem Verarbeitungsschaltkreis 8 eingebaut sein können. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die magnetoresistiven Elemente 11-14 zusammen mit den Widerständen 15-18 und den Verstärkerschaltkreisen 21, 22 in dem Sensor 6 eingebaut. Es ist jedoch auch möglich, die magnetoresistiven Elemente 11-14 in dem Sensor 6 vorzusehen. Es ist auch möglich, abweichend von der dargestellten Situation den Verarbeitungsschaltkreis 24-35 in den Sensor zu integrieren.
Der Verarbeitungsschaltkreis 8 weist einen Schaltkreis 24 zum Erzeugen eines einen Winkel φ darstellenden Signals auf. Das Ausgangssignal wird einem Sinussignalgenerator 25 bzw. dem Kosinussignalgenerator 26 zugeführt. Das Ausgangssignal des Schaltkreises 25 ist ein die Sinusfunktion des Winkels φ darstellendes Signal, und das Ausgangssignal des Kosinusschaltkreises 26 ist ein den Kosinus des Winkels φ, darstellendes Signal.
Das Ausgangssignal des Schaltkreises 25 wird einem Vergleichsschaltkreis 27 zusammen mit dem Ausgangssignal des Schaltkreises 21 zugeführt, und das Ausgangssignal des Signals 26 wird zusammen mit dem Ausgang des Schaltkreises 22 einem Vergleichsschaltkreis 28 zugeführt. Es wird angemerkt, daß das Ausgangssignal des Schaltkreises 21 kosinusförmig als Funktion der Verschiebung der Kolbenstange variiert, wohingegen das Ausgangssignal des Schaltkreises 22 als sinusförmiges Signal der Verschiebung variiert.
Die Ausgangssignale beider Vergleichsschaltkreise 27, 28 werden unter Berücksichtigung der Vorzeichen der Signale bei einem Additionsschaltkreis 29 addiert, und werden dem Steuerschaltkreis 30 zugeführt. Es wird angemerkt, daß beide Ausgangssignale des Schaltkreises 27, 28 ausgedrückt werden können als
A · cos (x/p · 2π)sinωt · sinφ
bzw.
A · sin(x/p · 2π)sinωt · cosφ
Die Differenz beider Signale ist nur gleich Null, wenn:
x/p · 2π = φ
Der Schaltkreis nutzt das Vorhandensein des Steuerschaltkreises 30, der ein Steuersignal erzeugt, welches dem Winkel φ Generator 24 über einen integrierten Schaltkreis 31 zugeführt wird, in welchem das Steuersignal durch die Steuerschleife derart bestimmt wird, daß die oben genannte Bedingung erfüllt wird.
Daher ist das Ausgangssignal des Winkel φ Generators ein Zeichen für die Position der Kolbenstange 1. Dieses Ausgangssignal ist in analogem Format in dem Ausgangssignal 32 verfügbar, und ist auch in digitalem Format in einem Ausgangssignal 34 über einen A/D-Wandler 33 verfügbar. Ferner weist der Schaltkreis einen Ausgang 35 für den Steuerschaltkreis 30 auf, in welchem ein Ausgangssignal in dem Format eines Geschwindigkeitssignals verfügbar ist.
Das Ausgangssignal des Winkel φ Generators in binärem Format wird in inkrementale Zählimpulse nach einem einstellbaren Auflösungs-Kodierschaltkreis 32 mittels Impulsformer 33 umgewandelt.
Bei einer ersten Ausführungsform sind diese Impulse im Ausgangsschaltkreis 34 verfügbar. Bei einer zweiten Ausführungsform werden diese Impulse in einem binären Zweirichtungszähler 36 addiert, und der Zählwert ist in binärem Format in dem Ausgangsschaltkreis 34 verfügbar.
Bei einer dritten Ausführungsform wird der binäre Zählwert in ein Gray-Format umgewandelt, nach welchem diese Information in dem Ausgangsschaltkreis 34 verfügbar ist.
Bei einer letzten Ausführungsform wird die bereits erwähnte zweite Ausführungsform einem D/A-Wandler 38 zugeführt, nachdem die Positionsinformation in analogem Format in dem Ausgang 39 verfügbar ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Position einer Kolbenstange (1) relativ zu einem Bezugspunkt, bei welcher die Umfangsfläche der Kolbenstange (1) ein im wesentlichen tangential gerichtetes Profil (2) mit einem Muster aufweist, das in Axialrichtung sich selbst wiederholt, mit einem magnetischen Teil (7), welches relativ zu dem Bezugspunkt zum Erzeugen eines Magnetfeldes befestigt wurde, welches durch das Profil (2) beeinflußt wird, zumindest zwei Sensoren (9, 10), die relativ zu dem Bezugspunkt zum Erfassen der Stärke des Magnetfeldes befestigt sind, und einem Verarbeitungsschaltkreis (8) zum Verarbeiten der Signale, die von den Sensoren (9, 10) erzeugt werden, wobei die Sensoren (9, 10) einen Abstand in Axialrichtung zueinander aufweisen, welcher gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Höhe des Profils (2) zuzüglich oder abzüglich eines Viertels der Höhe ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß das magnetische Teil (7) angeordnet ist, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das sich im wesentlichen tangential oder radial erstreckt;

- daß die Sensoren (9, 10) jeweils ein magnetoresistives Element (11-18) aufweisen, das in einen Brückenschaltkreis (9, 10) integriert ist;

- daß das Profil (2) abgeschrägt ist; und

- daß das Profil (2) in dem einen Stück Keramikmaterial mit einer durchgehenden Schicht (3) bedeckt ist, welche an ihrer Außenfläche glatt ist, und welche benachbart zu und angepaßt an dem Profil (2) der Kolbenstange (1) angeordnet ist, und deren magnetische Eigenschaften sich von denen der Kolbenstange (1) unterscheiden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil (2) Rippen und Nuten aufweist, und daß die Rippen und die Nuten dieselbe Breite haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltkreise (9, 10) jeweils mit einer AC-Spannungsquelle (19, 20) verbunden sind, und daß die Phasen der von jeder der AC-Spannungsquellen (19, 20) erzeugten Signale um pi/2 differieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungsschaltkreis (8) zum Vergleichen der Ausgangssignale jedes der Brückenschaltkreise (9, 10) angeordnet wurde, wobei ein Kosinus bzw. ein Sinus des Signals einen Winkel darstellt, welcher eine Funktion des Vergleichs ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungsschaltkreis (8) zum Erzeugen eines digitalen Inkrementalsignals angeordnet wurde.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungsschaltkreis (8) zum Erzeugen eines digitalen und eines analogen Signals angeordnet wurde, die jeweils die Position der Kolbenstange (1) darstellen.