WO2002086423A1

WO2002086423A1 - Vorrichtung zur erkennung der position, bewegungsrichtung und/oder geschwindigkeit eines körpers mit ferromagnetischen eigenschaften

Info

Publication number: WO2002086423A1
Application number: PCT/DE2002/001399
Authority: WO
Inventors: Uwe Hartmann; Gerhard Krekow; K. Wilh. ZÖLLER
Original assignee: Secatec Electronic Gmbh
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2002-10-31
Also published as: DE10119703A1; EP1379840A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit eines Körpers mit ferromagnetischen Eigenschaften, wobei die Position, die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Körpers erkannt werden soll, wenn sich dieser hinter einer Wand befindet, wobei ein Magnetfeldsensor vorhanden ist, wobei die Position, die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Körpers erkennbar ist durch die Änderung des Magnetfeldes aufgrund der Positionsänderungen des Körpers. Die Vorrichtung kann verwendet werden zur Erkennung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit eines Stellgliedes eines Stellantriebes wie auch eines Molchkörpers.

Description

VORRICHTUNG ZUR ERKENNUNG DER POSITION, BEWEGUNGSRICHTUNG UND/ODER GESCHWINDIGKEIT EINES KÖRPERS MIT FERROMAGNETISCHEN EIGENSCHAFTEN

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit eines Korpers mit ferromagnetischen Eigenschaften nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Verwendung der Vorrichtung gemäß Patentansprüchen 10 sowie 12

Die Detektierung ferromagnetischer Stoffe und Korper insbesondere durch ferromagnetische Wandungen hindurch stellt im Bereich der Technik ein unzureichend gelöstes Problem dar Eine typische Anwendung ist die Positionsbestimmung von Hydraulikkolben aus ferromagnetischem Stahl durch die Wandung des Hydraulikzylinders aus ferromagnetischem Stahl hindurch Als passive Systeme ohne eigene Energieversorgung im Hydraulikkolben kommen nach dem bekannten Stand der Technik Markierungen mit radioaktiven Stoffen in Frage. Die Strahlung dieser radioaktiven Markierung durchdringt den Kolben und den Zylinder und kann in einem Sensor, der am Außenmantel des Hydraulikzylinders angebracht ist, detektiert werden Nachteilig ist in jedem Fall die Anwendung von radioaktiven Stoffen, nicht nur aus Kostengrunden sondern auch unter dem Gesichtspunkt der Umwelthygiene und Strahlenbelastung Einsatz findet diese Kombination daher überwiegend in hoch- sicherheitsrelevanten Anwendungen

Als Alternative zur Markierung mit radioaktiven Stoffen kommt die Markierung mit einem starken Magnetfeld in Frage Dazu wird z B im Hydraulikkolben ein ausreichend starker Permanentmagnet platziert Beim Einsatz von ferromagnetischen Kolben- und Zylindermaterialien ist diese Kombination bei Anwendung herkömmlicher Magnetsensoren (Reed-Kontakt, Hall-Sensor etc ) nur bedingt effektiv, weil das Magnetfeld des Magneten im Kolben durch die ferromagnetische Zylinderwandung nahezu vollständig abgeschirmt bzw kurzgeschlossen wird So ist durch die DE 1971 1781 C2 eine Vorrichtung bekannt geworden, die eine Platzierung mehrerer Permanentmagnete möglichst dicht an der ferromagnetischen Wandung erfordert, um über Streufeldeinflusse die Position eines Stellgliedes zu detektieren Eine andere Anwendung liegt im Bereich der sogenannten Molchtechnik Dabei werden in abgeschlossenen Rohrsystemen aus ferromagnetischem Material oder Edelstahl elastische Formkorper, z B zur Reinigung der Innenwandungen, mit Hilfe von Druckluft von einem Ort zum anderen befordert Neben dem reinen Reinigungseffekt findet diese Technologie zunehmend Einsatz beim Stofftransport in der chemischen Industrie Transportiert werden können mit diesem System alle Arten von Chemikalien, Flüssigkeiten, zähflüssige Stoffe und selbst Staube Mit Hilfe der Molchtechnik lassen sich so auch geringste Mengen verschiedener Chemikalien über eine einzelne Leitung transportieren Der Chemikalientransport erfolgt dabei in der Form, dass ein derartiger Molch einem solchen Materialtransport vorangeschickt wird, dann folgt die entsprechende Menge des Mediums und abschließend ein weiterer Molch Je nach Art der transportierten Chemikalie erfolgt danach möglicherweise eine Charge Reinigungsflussigkeit, wiederum gefolgt von einem Molch, wonach dann die Leitung ausreichend gereinigt ist fiir andere, weitere Chemikalientransporte Allein die oben dargestellte Transportmaßnahme erfordert 3 derartige Molche Hier ergibt sich nun nach dem Stand der Technik das Problem der eindeutigen Molcherkennung, um die Molche innerhalb eines weitverzweigten Leitungssystems raumlich und sachlich eindeutig zuordnen zu können Von besonderer Bedeutung ist dabei die Beobachtung und Verfolgung der Molche im Sinne einer vorbeugenden Wartung auf mögliche Veränderungen und Beeinträchtigungen der Funktionsfahigkeit Dies kann durch statistische Auswertung der zurückgelegten Wege des jeweiligen Molches geschehen, um Verschleiß und Abnutzung nach Erfahrungswerten zu kalkulieren Wichtig ist dabei die eindeutige Identifikation des einzelnen Molches, um in einem übergeordneten Leitrechner Positionen, zurückgelegte Wege etc zu registrieren Dazu muss also durch die Wandung eines ferromagnetischen- oder Edelstahlrohres hindurch eine bestimmte Anzahl von Molchen eindeutig voneinander differenziert werden können

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsbestimmung bzw Identifikation von ferromagnetischen Korpern auf einfache Weise mit einfachen Mitteln zu gewahrleisten

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch eine Vorrichtung gelost, bei der ein Magnetfeldsensor vorhanden ist, wobei die Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit des Korpers erkennbar ist durch die Änderung des Magnetfeldes aufgrund der Positionsanderungen des Korpers Es kann also eine Erfassung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit beweglicher ferromagnetischer Korper durch die Wandung ferromagnetischer bzw nicht- ferromagnetischer Materialien hindurch erfolgen, indem mit Hilfe entsprechend empfindlicher Magnetsensoren die Veränderung des am Messort vorhandenen Gesamtmagnetfeldes, bestehend aus Erdfeld und überlagerten statischen und dynamischen Hintergrundfeldern, die zum Teil durch den ferromagnetischen Korper selbst erzeugt werden, durch das Eintreten eines ferromagnetischen Korpers in das Messfeld des Sensors, detektiert wird Das am Messort vorhandene Gesamtfeld kann auch eine statische, periodisch gepulste oder periodische Komponente enthalten, die gezielt extern erzeugt wird und deren Veränderung am Ort des Sensors infolge der Anwesenheit des beweglichen ferromagnetischen Korpers detektiert wird

Sofern die Wandung aus nicht magnetischem Material besteht, kann dieses Material beispielsweise rostfreier Stahl, Aluminium, Messing sein oder auch Keramik oder Kunststoff

Für die praktische Anwendung von besonderem Vorteil ist die Tatsache, dass der Sensor nicht auf der Wandung des ferromagnetischen oder nicht ferromagnetischen Gehäuses bzw eines Zylinderrohres oder einer Rohrleitung aufgebracht sein muss, sondern in einem eigenen Sensorgehause frei und beliebig positioniert werden kann Es bieten sich insbesondere handelsübliche Magnetowiderstandssensoren (AMR und bevorzugt GMR) an, wie auch die bisher ausschließlich als Prototypen verfugbaren CMR-Sensoren

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 weist der Korper eine Oberflachenstruktur auf Anhand der Änderungen des Magnetfeldes aufgrund der Position des Korpers ist die Position des Korpers im Sinne einer Wegmessung erfassbar Alternativ oder zusatzlich können die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Korpers erkannt werden

Durch die Oberflachenstruktur ergeben sich abhangig von der Position des Korpers unterschiedlich starke Einflüsse auf das Magnetfeld Dadurch kann durch eine Auswertung des Magnetfeldes an einem bestimmten Punkt auf die Position des Korpers geschlossen werden Indem der zeitliche Verlauf des Signals ausgewertet wird, kann auch die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Korpers erkannt werden Alternativ zur Bestimmung der Position im Sinne einer kontinuierlichen Wegmessung kann auch eine Auswertung im Sinne des Erreichens einer oder mehrerer Sollpositionen als Schwellwerte vorgenommen werden

Die Oberflachenstruktur kann dabei gemäß Anspruch 3 stufenförmig ausgebildet sein oder auch gemäß Anspruch 4 einen stetig differenzierbaren Verlauf aufweisen

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 sind mehrere Sensoren vorhanden, wobei aufgrund der raumlichen Verteilung der Sensoren die Sensorsignale im Hinblick auf die Erkennung der Position des Korpers im Sinne einer Wegmessung, auf die Erkennung der Bewegungsrichtung des Korpers und/oder auf die Erkennung der Geschwindigkeit des Korpers auswertbar sind

Durch die raumliche Zuordnung der Sensoren können die Sensorsignale in ihrem zeitlichen Verlauf so ausgewertet werden, dass die entsprechenden Großen erkennbar sind

Gemäß Anspruch 6 können der Magnetfeldsensor bzw die Magnetfeldsensoren in Siebdrucktechnologie hergestellt werden mit einer magnet sensitiven Druckpaste

Diese Siebdrucktechnologie ist aus der Dickfilmhybridtechnik dem Grunde nach bekannt

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 7 ist ein Permanentmagnet vorhanden zur Festlegung eines Arbeitspunktes des Magnetfeldsensors

Dadurch wird eine magnetische Vorspannung des Magnetfeldsensors bewirkt Diesem kann dadurch ein Magnetfeld geeigneter Starke vorgegeben werden, das hinsichtlich seiner Änderungen durch die Positionsanderung des Korpers auswertbar ist

Gemäß Anspruch 8 wird der Magnetfeldsensor gradiometrisch in erster oder zweiter Ordnung verschaltet

Dadurch können vorteilhaft Einflüsse äußerer Storfelder minimiert werden

Aus Gründen der Kompensation ihres Temperaturganges können die Magnetfeldsensoren bevorzugt alternativ oder auch zusatzlich in Bruckenschaltung geschaltet sein Bei der Vorrichtung nach Anspruch 9 ist ein ortsfestes, periodisch pulsformiges Magnetfeld erzeugbar

Unter bestimmten Umgebungsbedingungen kann ein solches Magnetfeld geeigneter sein, die erfindungsgemaße Positionserkennung durchzufuhren

Anspruch 10 betrifft eine Verwendung der Vorrichtung zur Erkennung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit eines Stellgliedes eines Stellantriebes, wobei das Stellglied aus ferromagnetischem Material besteht

Dadurch können vorteilhaft die eingangs im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Probleme bei der Magnetisierung des Stellgliedes vermieden werden

Gemäß Anspruch 11 kann die Wandung des Stellantriebes aus ferromagnetischem Material oder aus nicht magnetischem bzw nicht magnetisierbaren Material bestehen.

Dadurch ist vorteilhaft ein weites Einsatzfeld gegeben

Gemäß Anspruch 12 kann die Vorrichtung verwendet werden zur Erkennung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit eines Molchkorpers zum Transport von Flüssigkeiten, Gasen, pastosen Stoffen oder Stauben innerhalb von Rohrleitungssystemen, wobei der Molchkorper zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Stoff besteht

Damit können vorteilhaft die eingangs beschriebenen Probleme bei der Verwendung der Molchkorper gelost werden

Gemäß Anspruch 13 sind verschiedene Molchkorper durch unterschiedliche geometrische Strukturen der ferromagnetischen Stoffe unterscheidbar

Dadurch können beispielsweise individuell zu den einzelnen Molchkorpern die von diesen zurückgelegten Wegstrecken bzw Betriebsdauern ermittelt werden Von besonderem Vorteil der erfindungsgemaßen Sensortechnologie ist dabei die Differenzie- rungsmoglichkeit unterschiedlicher ferromagnetischer Stoffe ohne permanent magnetische Eigenschaften und die Kombination mit Permanentmagneten unterschiedlicher Starke zur Positionsbestimmung (Hydraulikzylinder) bzw Identifikation (Molchtechnik)

Es ist dabei ersichtlich, dass aus den beschriebenen gemessenen Großen auch andere Großen wie beispielsweise zurückgelegte Wegstrecken ermittelt werden können, indem die entsprechenden Großen aufintegriert werden

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung mit verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten ist in der Zeichnung naher dargestellt Die Figuren sind nachfolgend erläutert

Fig 1 zeigt ein erfindungsgemaßes Beispiel zur einfachen Bestimmung der Position eines Hydraulikkolbens Dabei ist ein Sensor 101 zu sehen, der an der Außenflache einer Wand 102 eines Stellantriebes angebracht ist Diese Wand 102 kann beispielsweise aus ferromagnetischem Material bestehen Weiterhin ist ein Stellglied 103 zu sehen, das aus einem ferromagnetischen Material besteht Dieses Stellglied 103 kann ein Hydraulikkolben sein Bei einer Bewegung des Stellgliedes 103 ändert sich das Magnetfeld am Ort des Sensors 101 Durch eine Auswertung des Sensorsignals kann also eine Aussage über die Position des Stellgliedes 103 gemacht werden

Fig 2 zeigt ein entsprechendes Beispiel für eine Positionsbestimmung mit zusatzlicher Verbesserung der Ortsauflosung durch die Detektierung unterschiedlich großer ferromagnetischer Massen infolge einer strukturiert ausgebildeten Front des Stellgliedes 203 Durch die gestufte Ausbildung ändert sich das Magnetfeld nicht abrupt sondern langsamer, so dass durch eine Auswertung der Änderung des Magnetfeldes die Position des Stellgliedes 103 entsprechend genauer bestimmt werden kann

Fig 3 zeigt eine invers strukturierte Front des Stellgliedes 303 zu dem Ausfuhrungsbeispiel des Stellgliedes in Figur 2

Es ist beispielsweise auch denkbar, dass die Oberflachenstruktur des Stellgliedes nicht stufenförmig verlauft sondern stetig differenzierbar ist Das bedeutet beispielsweise, dass das Stellglied an seinem vorderen Ende halbrund oder ellipsoid ausgebildet sein kann Fig 4 zeigt eine erfmdungsgemaße Sensoranordnung, bei der eine zusatzliche Orts- und Positionsbestimmung eines Hydraulikkolbens mit Hilfe eines linearen Sensor-Arrays vorgenommen werden kann, das aus mehreren Sensoren 401, 402, 403 besteht In dem in Figur 4 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist das Stellglied 404 wieder mit gerader Front dargestellt Es kann jedoch auch zusatzlich zur Verbesserung der Auswertungsmoglichkeiten der Sensorsignale eine "Kodierung" des Stellgliedes beispielsweise entsprechend der Darstellung und der Beschreibung der Figuren 2 und 3 vorgenommen werden

Fig 5 zeigt ein erfindungsgemaßes Beispiel zur einfachen Molchdetektierung Dabei ist ein Molch 501 zu sehen, der in einer Rohrleitung 502 entlang lauft Dieser Molch weist in seinem Inneren einen Bestandteil 503 aus einem ferromagnetischen Material auf Mit einem außen an der Rohrleitung 502 angebrachten Magnetfeldsensor 504 kann wiederum die Position des Molches erkannt werden

Fig 6 zeigt ein erfindungsgemaßes Beispiel zur Molchdetektierung, jedoch mit strukturiert ausgeführter Anordnung eines Kodierkorpers zur individuellen Identifikation des jeweiligen Molchkorpers

Vorteilhaft kann bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eine Kalibrierung am Einsatzort vorgenommen werden, indem der bewegliche Korper mit definierter Geschwindigkeit bewegt wird bzw in definierte Positionen bewegt wird Es kann dann die Starke des Magnetfeldes ermittelt werden, die der jeweiligen definierten Bedingung zugeordnet ist Dadurch kann eine Kennlinie bzw ein Kennfeld für die Änderung des Magnetfeldes am Messort festgelegt werden, anhand dem im laufenden Betrieb die entsprechende Große des beweglichen Korpers aufgrund des gemessenen Magnetfeldes bestimmt werden kann

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zur Erkennung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit eines Korpers (103, 203, 303, 404, 501) mit ferromagnetischen Eigenschaften, wobei die Position, die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Korpers (103, 203, 303, 404, 501) erkannt werden soll, wenn sich dieser hinter einer Wand (102, 502) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeldsensor (101, 401, 402, 403, 504) vorhanden ist, wobei die Position, die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Korpers (103, 203, 303, 404, 501) erkennbar ist durch die Änderung des Magnetfeldes aufgrund der Positionsanderungen des Korpers (103, 203, 303, 404, 501)

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korper (203, 303) eine Oberflachenstruktur aufweist und dass anhand der Änderungen des Magnetfeldes aufgrund der Position des Korpers (203, 303) die Position des Korpers (203, 303) im Sinne einer Wegmessung, die Bewegungsrichtung des Korpers (203, 303) und/oder die Geschwindigkeit des Korpers (203, 303) erfassbar sind

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflachenstruktur stufenförmig ausgebildet ist (203, 303)

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflachenstruktur stetig differenzierbar ausgeführt

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren (401, 402, 403) vorhanden sind, wobei aufgrund der raumlichen Verteilung der Sensoren (401, 402, 403) die Sensorsignale im Hinblick auf die Erkennung der Position des Korpers (404) im Sinne einer Wegmessung, auf die Erkennung der Bewegungsrichtung des Korpers (404) und/oder auf die Erkennung der Geschwindigkeit des Korpers (404) auswertbar sind

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor bzw die Magnetfeldsensoren in Siebdrucktechnologie hergestellt werden mit einer magnetsensitiven Druckpaste

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Permanentmagnet vorhanden ist zur Festlegung eines Arbeitspunktes des Magnetfeldsensors

Vorπchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor gradiometrisch in erster oder zweiter Ordnung verschaltet wird

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein ortsfestes, periodisch pulsformiges Magnetfeld erzeugbar ist

Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Positionserkennung eines Stellgliedes (103, 20,3 303, 404) eines Stellantriebes, wobei das Stellglied (103, 20,3 303, 404) zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material besteht

Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (102) des Stellantriebes aus ferromagnetischem Material oder aus nicht magnetischem bzw nicht magnetisierbaren Material besteht

Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Positionserkennung eines Molchkorpers (501) zum Transport von Flüssigkeiten, Gasen, pastosen Stoffen oder Stauben innerhalb von Rohrleitungssystemen (502), wobei der Molchkorper (501) zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Stoff (503) besteht

3. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Molchkörper (501) durch unterschiedliche geometrische Strukturen der ferromagnetischen Stoffe unterscheidbar sind (503).