WO2009127237A1 - Sensor arrangement for determining the angle of rotation of an arrangement rotating about an axis of rotation - Google Patents

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WO2009127237A1
WO2009127237A1 PCT/EP2008/003142 EP2008003142W WO2009127237A1 WO 2009127237 A1 WO2009127237 A1 WO 2009127237A1 EP 2008003142 W EP2008003142 W EP 2008003142W WO 2009127237 A1 WO2009127237 A1 WO 2009127237A1
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sensor
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axis
permanent magnet
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Albert Kiessling
Volker Geywitz
Birgit Dengler
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Festo Ag & Co. Kg
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for detecting the angle of rotation of a rotating about a rotation axis arrangement, for example, the axis of rotation of a valve member of a process valve, as described in WO 00/50796.
  • two Hall sensors are provided for detecting the angle of rotation or the angular position, among other solutions, which are offset by an angle to each other and are used to detect the magnetic field of a arranged on a rotating shaft permanent magnet.
  • the detected magnetic field components depend on many geometric conditions and parameters, so that an evaluation of the sensor signals to an angle signal, in particular to a linear angle signal is very complicated and expensive. Even then, the accuracy of the measurement result leaves something to be desired.
  • the present invention has for its object to provide a sensor arrangement for detecting the rotation angle of a rotating about an axis rotation arrangement using at least a 2-dimensional Hall sensor, wherein the two field components to achieve a linear angle signal in a simple manner and without complex electronic measures together can be linked.
  • the sensor arrangement according to the invention has the particular advantage that the magnetic field geometry, in particular in the case of permanent magnets which deviate from the circular structure, is compensated by the arrangement of the at least one Hall sensor at an angle of substantially 45 ° to the radial direction. This improves the linearity of the measurement result and the amplitudes of the radial and axial field adapt to each other. Without further adaptation of the two acquired sensor curves for the two field directions (sinusoidal curve and cosine curve), all angles of the rotating arrangement can be exactly detected by combining these two curves into a linear function.
  • the permanent magnet arrangement is expediently arranged in the region of the axis of rotation or at this points as a whole a radial or diametrical magnetization and preferably has the shape of one or more rods, circular or oval cylinder, rings, partial rings, cones or double cone.
  • the permanent magnet arrangement can be mounted directly on the axis of rotation or shaft in the axis of rotation or be arranged on or on a support which is rotatably formed with the axis of rotation or shaft by frictional engagement, positive engagement or a clamping connection.
  • the permanent magnet arrangement may be designed as a ring magnet arranged around the axis of rotation.
  • this permanent magnet arrangement may also have at least one pair of bar magnets arranged opposite one another on both sides of the rotation axis.
  • the permanent magnet assembly In an expedient structural embodiment carries a connected to the rotating assembly or connectable shaft, the permanent magnet assembly.
  • This shaft expediently extends through a sensor housing containing the at least one Hall sensor or protrudes into this housing.
  • the sensor arrangement can be placed as a compact, self-contained unit on a rotating arrangement to be detected angularly, for example coupled or plugged.
  • the sensor arrangement according to the invention is particularly suitable, for example, for the angle detection of the valve member of a process valve.
  • the at least one Hall sensor is expediently arranged on a circuit board in this housing.
  • This can expediently a through opening for the shaft and a electrical connection arrangement for connecting the sensor arrangement, for example, to an external control device or control device of the rotating arrangement serve.
  • the housing expediently has a removable cover, which is advantageously transparent or one
  • This display element is expediently arranged at the free end region of the shaft.
  • the magnetic field of the permanent magnet arrangement can be influenced by the geometry of the environment, in particular in an environment containing ferromagnetic components, optimal adjustment angles for the Hall sensor may result in the individual case, which deviates slightly from the ideal angle of 45 °.
  • means are advantageously provided for the angular adjustment of the at least one Hall element to an angle at which the linearity is best.
  • the Hall sensor signals (sine signal and cosine signal) which detect the two magnetic field components which are perpendicular to one another are expediently linked by an arctan function in order to achieve a linear angular function.
  • Fig. 1 as a first embodiment of the invention, the perspective view of a sensor arrangement in a housing with lid removed, in which a ring magnet interacts with a Hall sensor,
  • FIG. 3 shows a schematic arrangement for explaining the association between the permanent magnet formed as a ring magnet and the Hall sensor
  • Fig. 4 shows a second embodiment of the invention in a perspective arrangement similar to the first embodiment shown in Fig. 1, wherein now two oppositely arranged on a shaft bar magnet with a Hall element and interact
  • Fig. 5 is a block diagram for explaining an evaluation circuit.
  • a sensor housing 12 consisting of a base part 10 and a cover 11 contains a printed circuit board or board 13, through which a shaft 14 extends.
  • This shaft 14 protrudes on the underside of the base part 10 and can be coupled to a rotating arrangement, not shown, whose rotation angle or its angular position to be measured.
  • a rotating arrangement may be, for example, the shaft connected to a valve member of a process valve.
  • the coupling between the rotating assembly and the shaft 14 can be done in a conventional manner by Georgiastekken, screwing, jamming and the like.
  • a radially magnetized, designed as a ring magnet permanent magnet 15 is rotatably fixed in the height of the board 13, which surrounds the shaft 14.
  • a 2-dimensional Hall sensor 16 can detect two mutually perpendicular field components Hx and Hy. Furthermore, an electrical connection arrangement 17 is fixed on the circuit board 13, via which the electrical connections of the 2-dimensional Hall sensor 16, which are connected via printed conductors, not shown, on the circuit board 13 to the electrical connection arrangement 17, are connected to an electrical cable can be clamped to the electrical connection assembly 17. The signals can be fed to an external control device, for example to the control device for a process valve.
  • the shaft 14 has at its free upper end portion of a display element 18 which is formed by indentations in the shaft 14, and the angular position of the shaft 14 optically
  • a display element can be attached to the free end of the shaft 14 or attached in any other way.
  • the lid 11 of the sensor housing 12 is either transparent or has a window through which the display element 18 can be observed.
  • the two mutually perpendicular field components Hx and Hy are detected as sinusoidal signal and cosine signal.
  • the o Hall sensor 16 is positioned at an angle of 45 ° to the radial direction of the shaft 14, as clearly shown for example in FIG. That is, the two acquisition Directions for the two field components Hx and Hy occupy an angle of 45 ° to the radial direction. In this position, the two amplitudes are the same size.
  • the Hall sensor 16 may also be arranged adjustable on the circuit board 13, for example, by being arranged on an adjustable rotary member.
  • the second embodiment shown in FIG. 4 largely corresponds to the first embodiment, so that the same or equivalent components and assemblies are provided with the same reference numerals and are not described again.
  • the annular permanent magnet 15 is replaced by a rod-shaped permanent magnet 21 consisting of two partial areas 19, 20.
  • the two partial regions 19, 20 are arranged on opposite sides of the shaft 14 at this.
  • the magnetic field distribution is similar to the first embodiment.
  • Other arrangements for permanent magnets are also possible which generate a corresponding magnetic field.
  • a plurality of Hall sensors 16 may be arranged in a corresponding manner around the shaft 14 around in individual cases and it is also possible to arrange a plurality of permanent magnet arrangements 21, for example according to the second embodiment, around the shaft 14 around.
  • FIG. 5 shows a basic block diagram of an evaluation device.
  • such an evaluation circuit can be integrated at the Hall sensor 16, which can also be designed, for example, as a programmable microcontroller s.
  • the two signals of the Hall sensor 16 offset by 90 °, ie the sine signal and the cosine signal are combined by an arctan function in a corresponding evaluation block 22 in order to achieve a linear angle signal.
  • This can be further amplified in a downstream amplifier arrangement 23 so that it can be transmitted less susceptible to interference from the sensor arrangement to a control device.
  • the permanent magnet assembly may also have the shape of one or more rods, circular or oval cylinder, rings, partial rings, cones or double cone in each case a total of radial or diametral 20 diametrically. It can also be arranged on or on a support which is non-rotatably connected to the axis of rotation or shaft by frictional engagement, positive engagement or a clamping connection.

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Abstract

The invention relates to a sensor arrangement for determining the angle of rotation of an arrangement rotating about an axis of rotation, comprising at least one co-rotating permanent magnet arrangement (15) for at least one 2-dimensional Hall-effect sensor (16) disposed permanently adjacent to the axis of rotation in an effective region of the permanent magnet arrangement (15) and detecting two magnetic field components of the permanent magnet arrangement (15) orthogonal to each other. The two sensitive directions of the Hall-effect sensor (16) orthogonal to each other encompass an angle of 45° +/- 10° to the radial direction running orthogonal to the axis of rotation, thus achieving optimal linearity and/or the two sensor signals offset from each other by 90° thus having the same maximum amplitude. Amplification noise and errors due to amplification adaptation can thereby be prevented.

Description

Sensoranordnung zur Erfassung des Drehwinkels einer um eine Rotationsachse rotierenden Anordnung Sensor arrangement for detecting the angle of rotation of a rotating about a rotation axis arrangement
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung des Drehwinkels einer um eine Rotationsachse rotierenden Anordnung, beispielsweise der Rotationsachse eines Ventilglieds eines Prozessventils, wie es in der WO 00/50796 beschrieben ist. Bei der bekannten Anordnung sind zur Erfassung des Drehwinkels bzw. der Winkelposition unter anderen Lösungen zwei Hallsensoren vorgesehen, die um einen Winkel zueinander versetzt sind und zur Erfassung des Magnetfelds eines an einer rotierenden Welle angeordneten Permanentmagneten dienen. Die erfassten Magnetfeldkomponenten hängen von vielen geometrischen Gegebenheiten und Parametern ab, so dass eine Auswertung der Sensorsignale zu einem Winkelsignal, insbesondere zu einem linearen Winkelsignal sehr kompliziert und aufwändig ist. Selbst dann lässt die Genauigkeit des Messergebnisses noch zu wünschen übrig.The invention relates to a sensor arrangement for detecting the angle of rotation of a rotating about a rotation axis arrangement, for example, the axis of rotation of a valve member of a process valve, as described in WO 00/50796. In the known arrangement, two Hall sensors are provided for detecting the angle of rotation or the angular position, among other solutions, which are offset by an angle to each other and are used to detect the magnetic field of a arranged on a rotating shaft permanent magnet. The detected magnetic field components depend on many geometric conditions and parameters, so that an evaluation of the sensor signals to an angle signal, in particular to a linear angle signal is very complicated and expensive. Even then, the accuracy of the measurement result leaves something to be desired.
Es sind auch bereits 2-diτnensionale Hallsensoren bekannt, die beispielsweise unter der Bezeichnung MLX 90316 ASIC von der Firma Melexis (Moving Magnet Technologies SA) vertrieben werden und die bereits eine integrierte Auswerteschaltung ent- , halten. Um bei rotierenden magnetischen Anordnungen ein lineares Winkelsignal zu erzielen, müssen die beiden zueinander senkrecht angeordneten magnetischen Feldkomponenten in auf- wändiger Weise elektronisch aufgearbeitet und linearisiert werden .There are also already known 2-diπnensionale Hall sensors, which are sold, for example, under the name MLX 90316 ASIC by the company Melexis (Moving Magnet Technologies SA) and already ent, an integrated evaluation circuit. In order to achieve a linear angle signal in the case of rotating magnetic arrangements, the two magnetic field components arranged perpendicularly to one another must be arranged in an upward direction. welltiger way electronically processed and linearized.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung zur Erfassung des Drehwinkels einer um eine Rotationsachse rotierenden Anordnung mit Hilfe wenigstens eines 2-dimensionalen Hallsensors zu schaffen, bei der die beiden Feldkomponenten zur Erzielung eines linearen Winkelsignals in einfacher Weise und ohne aufwändige elektronische Maßnahmen miteinander verknüpft werden können.The present invention has for its object to provide a sensor arrangement for detecting the rotation angle of a rotating about an axis rotation arrangement using at least a 2-dimensional Hall sensor, wherein the two field components to achieve a linear angle signal in a simple manner and without complex electronic measures together can be linked.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a sensor arrangement with the features of claim 1.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung hat insbesondere den Vorteil, dass durch die Anordnung des wenigstens einen HaIl- sensors in einem Winkel von im Wesentlichen 45° zur radialen Richtung die Magnetfeldgeometrie, insbesondere bei Permanentmagneten, die von der kreisförmigen Struktur abweichen, ausgeglichen wird. Dabei verbessert sich die Linearität des Messergebnisses und die Amplituden des radialen und axialen Feldes passen sich einander an. Ohne weitere Anpassung der bei- den erfassten Sensorkurven für die beiden zueinander stehenden Feldrichtungen (Sinuskurve und Kosinuskurve) können alle Winkel der rotierenden Anordnung durch Verknüpfung dieser beiden Kurven zu einer linearen Funktion exakt erfasst werden.The sensor arrangement according to the invention has the particular advantage that the magnetic field geometry, in particular in the case of permanent magnets which deviate from the circular structure, is compensated by the arrangement of the at least one Hall sensor at an angle of substantially 45 ° to the radial direction. This improves the linearity of the measurement result and the amplitudes of the radial and axial field adapt to each other. Without further adaptation of the two acquired sensor curves for the two field directions (sinusoidal curve and cosine curve), all angles of the rotating arrangement can be exactly detected by combining these two curves into a linear function.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Sensoranordnung möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of claim 1 sensor arrangement are possible.
Die Permanentmagnetanordnung ist zweckmäßigerweise im Bereich der Rotationsachse oder an dieser angeordnet, weist insgesamt eine radiale oder diametrale Magnetisierung auf und besitzt bevorzugt die Gestalt eines oder mehrerer Stäbe, kreisförmiger oder ovaler Zylinder, Ringe, Teilringe, Kegel oder Doppelkegel.The permanent magnet arrangement is expediently arranged in the region of the axis of rotation or at this points as a whole a radial or diametrical magnetization and preferably has the shape of one or more rods, circular or oval cylinder, rings, partial rings, cones or double cone.
Die Permanentmagnetanordnung kann dabei direkt an der Rotationsachse bzw. Welle in der Rotationsachse angebracht oder auch auf oder an einem Träger angeordnet sein, der drehfest mit der Rotationsachse bzw. Welle durch Reibschluß, Formschluß oder eine Klemmverbindung ausgebildet ist.The permanent magnet arrangement can be mounted directly on the axis of rotation or shaft in the axis of rotation or be arranged on or on a support which is rotatably formed with the axis of rotation or shaft by frictional engagement, positive engagement or a clamping connection.
Die Permanentmagnetanordnung kann in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung als um die Rotationsachse herum angeordneter Ringmagnet ausgebildet sein. Alternativ hierzu kann diese Permanentmagnetanordnung in einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung auch wenigstens ein Paar von beiderseits der Rotationsachse gegenüberliegend angeordneten Stabmagneten besitzen.In a first embodiment of the invention, the permanent magnet arrangement may be designed as a ring magnet arranged around the axis of rotation. Alternatively, in a second embodiment of the invention, this permanent magnet arrangement may also have at least one pair of bar magnets arranged opposite one another on both sides of the rotation axis.
In einer zweckmäßigen konstruktiven Ausgestaltung trägt eine mit der rotierenden Anordnung verbundene oder verbindbare Welle die Permanentmagnetanordnung. Diese Welle verläuft zweckmäßigerweise durch ein den wenigstens einen Hallsensor enthaltendes Sensorgehäuse oder ragt in dieses Gehäuse hinein. Hierdurch kann die Sensoranordnung als kompakte autarke Einheit auf eine winkelmäßig zu erfassende rotierende Anordnung aufgesetzt, beispielsweise angekoppelt oder angesteckt werden. Dadurch eignet sich die erfindungsgemäße Sensoranordnung insbesondere beispielsweise für die Winkelerfassung des Ventilglieds eines Prozessventils.In an expedient structural embodiment carries a connected to the rotating assembly or connectable shaft, the permanent magnet assembly. This shaft expediently extends through a sensor housing containing the at least one Hall sensor or protrudes into this housing. As a result, the sensor arrangement can be placed as a compact, self-contained unit on a rotating arrangement to be detected angularly, for example coupled or plugged. As a result, the sensor arrangement according to the invention is particularly suitable, for example, for the angle detection of the valve member of a process valve.
Der wenigstens eine Hallsensor ist zweckmäßigerweise auf einer Platine in diesem Gehäuse angeordnet. Diese kann zweckmä- ßigerweise eine Durchstecköffnung für die Welle und eine elektrische Anschlussanordnung zum Anschließen der Sensoranordnung beispielsweise an eine externe Steuereinrichtung oder Steuereinrichtung der rotierenden Anordnung dienen.The at least one Hall sensor is expediently arranged on a circuit board in this housing. This can expediently a through opening for the shaft and a electrical connection arrangement for connecting the sensor arrangement, for example, to an external control device or control device of the rotating arrangement serve.
Das Gehäuse besitzt zweckmäßigerweise einen abnehmbaren Dek- kel, der in vorteilhafter Weise durchsichtig ist oder einThe housing expediently has a removable cover, which is advantageously transparent or one
Fenster zur Beobachtung eines die Drehwinkelposition der Welle direkt anzeigenden Anzeigeelements besitzt. Dieses Anzeigeelement ist zweckmäßigerweise am freien Endbereich der Welle angeordnet .Window for observing a rotational angle position of the shaft directly indicating display element has. This display element is expediently arranged at the free end region of the shaft.
Da das magnetische Feld der Permanentmagnetanordnung durch die Geometrie des Umfelds, insbesondere bei einem ferromagne- tisch Komponenten enthaltenden Umfeld, beeinflusst werden kann, können sich im Einzelfall optimale Einstellungswinkel für den Hallsensor ergeben, der geringfügig vom idealen Win- kel von 45° abweicht. Um dies kompensieren zu können, sind in vorteilhafter Weise Mittel zur Winkeljustierung des wenigstens einen Hallelements auf einen Winkel vorgesehen, bei dem die Linearität am besten ist.Since the magnetic field of the permanent magnet arrangement can be influenced by the geometry of the environment, in particular in an environment containing ferromagnetic components, optimal adjustment angles for the Hall sensor may result in the individual case, which deviates slightly from the ideal angle of 45 °. In order to be able to compensate for this, means are advantageously provided for the angular adjustment of the at least one Hall element to an angle at which the linearity is best.
Die die beiden senkrecht zueinander stehenden magnetischen Feldkomponenten erfassenden Hallsensorsignale (Sinussignal und Kosinussignal) werden zweckmäßigerweise durch eine arctan-Funktion verknüpft werden, um eine lineare Winkelfunktion zu erzielen.The Hall sensor signals (sine signal and cosine signal) which detect the two magnetic field components which are perpendicular to one another are expediently linked by an arctan function in order to achieve a linear angular function.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar- gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1 als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung die perspektivische Darstellung einer Sensoranordnung in einem Gehäuse mit abgenommenen Deckel, bei der ein Ringmagnet mit einem Hallsensor zusammenwirkt,Fig. 1 as a first embodiment of the invention, the perspective view of a sensor arrangement in a housing with lid removed, in which a ring magnet interacts with a Hall sensor,
Fig. 2 das selbe Ausführungsbeispiel in einer Explosionsdarstellung,2 shows the same embodiment in an exploded view,
Fig. 3 eine schematische Anordnung zur Erläuterung der Zuordnung zwischen dem als Ringmagnet ausgebildeten Permanentmagneten und dem Hallsensor,3 shows a schematic arrangement for explaining the association between the permanent magnet formed as a ring magnet and the Hall sensor,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Anordnung ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel, wobei nunmehr zwei gegenüberliegend an einer Welle angeordnete Stabmagneten mit einem Hallelement zusammenwirken undFig. 4 shows a second embodiment of the invention in a perspective arrangement similar to the first embodiment shown in Fig. 1, wherein now two oppositely arranged on a shaft bar magnet with a Hall element and interact
Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer AuswerteSchaltung.Fig. 5 is a block diagram for explaining an evaluation circuit.
Bei der in den Fig. 1 bis 3 als erstes Ausführungsbeispiel dargestellten Sensoranordnung enthält ein aus einem Basisteil 10 und einem Deckel 11 bestehendes Sensorgehäuse 12 eine Leiterplatte bzw. Platine 13, durch die sich eine Welle 14 hin- durch erstreckt. Diese Welle 14 ragt an der Unterseite des Basisteils 10 heraus und kann mit einer nicht dargestellten rotierenden Anordnung gekoppelt werden, deren Drehwinkel bzw. deren Winkelstellung gemessen werden soll . Bei einer solchen rotierenden Anordnung kann es sich beispielsweise um die mit einem Ventilglied eines Prozessventils verbundene Welle handeln. Die Kopplung zwischen der rotierenden Anordnung und der Welle 14 kann in an sich bekannter Weise durch Zusammenstekken, Verschrauben, Verklemmen und dergleichen erfolgen. An der Welle 14 ist in der Höhe der Platine 13 ein radial ma- gnetisierter, als Ringmagnet ausgebildeter Permanentmagnet 15 drehfest fixiert, der die Welle 14 umgreift. Neben der WelleIn the case of the sensor arrangement shown in FIGS. 1 to 3 as a first embodiment, a sensor housing 12 consisting of a base part 10 and a cover 11 contains a printed circuit board or board 13, through which a shaft 14 extends. This shaft 14 protrudes on the underside of the base part 10 and can be coupled to a rotating arrangement, not shown, whose rotation angle or its angular position to be measured. Such a rotating arrangement may be, for example, the shaft connected to a valve member of a process valve. The coupling between the rotating assembly and the shaft 14 can be done in a conventional manner by Zusammenstekken, screwing, jamming and the like. On the shaft 14, a radially magnetized, designed as a ring magnet permanent magnet 15 is rotatably fixed in the height of the board 13, which surrounds the shaft 14. Next to the wave
14 ist im Wirkungsbereich des magnetischen Feldes des Perma- 5 nentmagneten 15 ein 2-dimensionaler Hallsensor 16 auf derIn the region of action of the magnetic field of the permanent magnet 15, 14 is a 2-dimensional Hall sensor 16 on the
Platine 13 angebracht. Ein 2-dimensionaler Hallsensor 16 kann zwei senkrecht zueinander verlaufende Feldkomponenten Hx und Hy erfassen. Weiterhin ist auf der Platine 13 eine elektrische Anschlussanordnung 17 fixiert, über die die elektrischen lo Anschlüsse des 2-dimensionalen Hallsensor 16, die über nicht dargestellte Leiterbahnen auf der Platine 13 mit der elektrischen Anschlussanordnung 17 verbunden sind, mit einem elektrischen Kabel verbunden werden, das an die elektrische Anschlussanordnung 17 angeklemmt werden kann. Die Signale kön- i5 nen einer externen Steuereinrichtung, beispielsweise der Steuereinrichtung für ein Prozessventil zugeführt werden.Board 13 attached. A 2-dimensional Hall sensor 16 can detect two mutually perpendicular field components Hx and Hy. Furthermore, an electrical connection arrangement 17 is fixed on the circuit board 13, via which the electrical connections of the 2-dimensional Hall sensor 16, which are connected via printed conductors, not shown, on the circuit board 13 to the electrical connection arrangement 17, are connected to an electrical cable can be clamped to the electrical connection assembly 17. The signals can be fed to an external control device, for example to the control device for a process valve.
Die Welle 14 besitzt an ihrem freien oberen Endbereich ein Anzeigeelement 18, das durch Einformungen in der Welle 14 gebildet ist, und das die Winkelstellung der Welle 14 optischThe shaft 14 has at its free upper end portion of a display element 18 which is formed by indentations in the shaft 14, and the angular position of the shaft 14 optically
2o kennzeichnet. Alternativ hierzu kann auch ein solches Anzeigeelement am freien Ende der Welle 14 aufgesteckt oder auf sonstiger Weise befestigt sein. Der Deckel 11 des Sensorgehäuses 12 ist entweder durchsichtig ausgebildet oder besitzt ein Fenster, durch dass das Anzeigeelement 18 beobachtet wer- 5 den kann.2o denotes. Alternatively, such a display element can be attached to the free end of the shaft 14 or attached in any other way. The lid 11 of the sensor housing 12 is either transparent or has a window through which the display element 18 can be observed.
Bei der Drehung der Welle 14 und damit des PermanentmagnetenUpon rotation of the shaft 14 and thus the permanent magnet
15 werden die beiden senkrecht zueinander stehenden Feldkomponenten Hx und Hy als Sinussignal und Kosinussignal erfasst. Um die Linearität und Amplitudenphase zu optimieren, ist der o Hallsensor 16 unter einem Winkel von 45° zur radialen Richtung der Welle 14 positioniert, wie dies beispielsweise aus Fig. 3 deutlich hervorgeht. Das heißt, die beiden Erfassungs- richtungen für die beiden Feldkomponenten Hx und Hy nehmen einen Winkel von 45° zur radialen Richtung ein. In dieser Position sind die beiden Amplituden gleich groß.15, the two mutually perpendicular field components Hx and Hy are detected as sinusoidal signal and cosine signal. In order to optimize the linearity and amplitude phase, the o Hall sensor 16 is positioned at an angle of 45 ° to the radial direction of the shaft 14, as clearly shown for example in FIG. That is, the two acquisition Directions for the two field components Hx and Hy occupy an angle of 45 ° to the radial direction. In this position, the two amplitudes are the same size.
Durch die Umgebungsgeometrie, insbesondere wenn diese ferro- magnetische Bestandteile enthält, kann eine Feldbeeinflussung dahingehend vorliegen, dass das optimale Ergebnis nicht bei einem Winkel von exakt 45° erhalten wird, sondern bei einem geringfügig abweichenden Winkel, wobei die Abweichung maximal +/- 10° betragen kann, im Allgemeinen jedoch nicht mehr als +/- 5°. Dies kann durch Messungen festgestellt werden, bevor der Hallsensor 16 auf der Platine 13 fixiert wird. Alternativ hierzu kann der Hallsensor 16 auch justierbar auf der Platine 13 angeordnet sein, indem er beispielsweise auf einem justierbaren Drehelement angeordnet ist.Due to the surrounding geometry, especially if it contains ferromagnetic components, a field influence may be present in such a way that the optimum result is not obtained at an angle of exactly 45 °, but at a slightly different angle, the deviation maximum +/- 10 ° may be, but generally not more than +/- 5 °. This can be determined by measurements before the Hall sensor 16 is fixed on the board 13. Alternatively, the Hall sensor 16 may also be arranged adjustable on the circuit board 13, for example, by being arranged on an adjustable rotary member.
Das in Fig. 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass gleiche oder gleich wirkende Bauteile und Baugruppen mit demselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben sind. Der einzige Unterschied besteht darin, dass beim zwei- ten Ausführungsbeispiel der ringförmige Permanentmagnet 15 durch einen aus zwei Teilbereichen 19, 20 bestehenden stabförmigen Permanentmagneten 21 ersetzt ist. Dabei sind die beiden Teilbereiche 19, 20 an gegenüberliegenden Seiten der Welle 14 an dieser angeordnet. Die magnetische Feldverteilung ist dabei ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel. Andere Anordnungen für Permanentmagneten sind ebenfalls möglich, die ein entsprechendes Magnetfeld erzeugen. Dabei können auch im Einzelfall mehrere Hallsensoren 16 in entsprechender Weise um die Welle 14 herum angeordnet sein und es ist auch möglich, mehrere Permanentmagnetanordnungen 21, beispielsweise gemäß zweiten Ausführungsbeispiel, um die Welle 14 herum anzuordnen. In Fig. 5 ist ein prinzipielles Blockschaltbild einer Auswerteeinrichtung dargestellt. An dem Hallsensor 16 kann beispielsweise eine solche Auswerteschaltung integriert sein, die beispielsweise auch als programmierbarer Mikrokontroller s ausgebildet sein kann. Zur Auswertung werden die beiden um 90° versetzten Signale des Hallsensors 16, also das Sinussignal und das Kosinussignal durch eine arctan- Funktion in einem entsprechenden Auswerteblock 22 miteinander verknüpft, um ein lineares Winkelsignal zu erreichen. Dieses kann in ei- lo ner nachgeschalteten Verstärkeranordnung 23 noch verstärkt werden, damit es weniger störungsanfällig von der Sensoranordnung zu einer Steuereinrichtung übertragen werden kann. Selbstverständlich ist es auch prinzipiell möglich, die Auswertung in einer separaten Schaltung auf der Platine 13 oder i5 extern vorzunehmen.The second embodiment shown in FIG. 4 largely corresponds to the first embodiment, so that the same or equivalent components and assemblies are provided with the same reference numerals and are not described again. The only difference is that in the second embodiment, the annular permanent magnet 15 is replaced by a rod-shaped permanent magnet 21 consisting of two partial areas 19, 20. In this case, the two partial regions 19, 20 are arranged on opposite sides of the shaft 14 at this. The magnetic field distribution is similar to the first embodiment. Other arrangements for permanent magnets are also possible which generate a corresponding magnetic field. In this case, a plurality of Hall sensors 16 may be arranged in a corresponding manner around the shaft 14 around in individual cases and it is also possible to arrange a plurality of permanent magnet arrangements 21, for example according to the second embodiment, around the shaft 14 around. FIG. 5 shows a basic block diagram of an evaluation device. For example, such an evaluation circuit can be integrated at the Hall sensor 16, which can also be designed, for example, as a programmable microcontroller s. For evaluation, the two signals of the Hall sensor 16 offset by 90 °, ie the sine signal and the cosine signal, are combined by an arctan function in a corresponding evaluation block 22 in order to achieve a linear angle signal. This can be further amplified in a downstream amplifier arrangement 23 so that it can be transmitted less susceptible to interference from the sensor arrangement to a control device. Of course, it is also possible in principle to carry out the evaluation in a separate circuit on the board 13 or i5 externally.
In Abwandlung der beschriebenen Ausführungsbeispiele kann die Permanentmagnetanordnung auch die Gestalt eines oder mehrerer Stäbe, kreisförmiger oder ovaler Zylinder, Ringe, Teilringe, Kegel oder Doppelkegel bei jeweils insgesamt radialer oder 20 diametraler Magnetisierung aufweisen. Sie kann dabei auch auf oder an einem Träger angeordnet sein, der drehfest mit der Rotationsachse bzw. Welle durch Reibschluß, Formschluß oder eine Klemmverbindung verbunden ist . In a modification of the described embodiments, the permanent magnet assembly may also have the shape of one or more rods, circular or oval cylinder, rings, partial rings, cones or double cone in each case a total of radial or diametral 20 diametrically. It can also be arranged on or on a support which is non-rotatably connected to the axis of rotation or shaft by frictional engagement, positive engagement or a clamping connection.

Claims

Ansprüche claims
1. Sensoranordnung zur Erfassung des Drehwinkels einer um eine Rotationsachse rotierenden Anordnung, mit einer mitrotierenden Permanentmagnetanordnung (15; 21) und mit wenig-1. Sensor arrangement for detecting the angle of rotation of a rotating about a rotation axis arrangement, with a co-rotating permanent magnet assembly (15; 21) and with little
5 stens einem im Wirkungsbereich der Permanentmagnetanordnung (15; 21) ortsfest neben der Rotationsachse angeordneten, zwei zueinander senkrechte magnetische Feldkomponenten (Hx, Hy) der Permanentmagnetanordnung (15; 21) erfassenden 2- dimensionalen Hallsensor (16) , wobei die beiden zueinander lo senkrecht stehenden sensitiven Richtungen des Hallsensors (16) einen Winkel von 45° +/- 10° zur senkrecht zur Rotationsachse verlaufenden Radialrichtung einnehmen.5 at least one in the range of the permanent magnet assembly (15; 21) arranged adjacent to the axis of rotation, two mutually perpendicular magnetic field components (Hx, Hy) of the permanent magnet assembly (15; 21) detecting 2-dimensional Hall sensor (16), wherein the two to each other lo perpendicular standing sensitive directions of the Hall sensor (16) occupy an angle of 45 ° +/- 10 ° to the direction perpendicular to the axis of rotation extending radial direction.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel 45° +/- 5° beträgt.2. Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the angle is 45 ° +/- 5 °.
i5i5
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetanordnung (15; 21) im Bereich der Rotationsachse oder an dieser angeordnet ist, insgesamt eine radiale oder diametrale Magnetisierung aufweist und die Gestalt eines oder mehrerer Stäbe, kreisförmiger oder3. Sensor arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the permanent magnet arrangement (15; 21) is arranged in the region of the axis of rotation or at this, has a total of a radial or diametrical magnetization and the shape of one or more rods, circular or
20 ovaler Zylinder, Ringe, Teilringe, Kegel oder Doppelkegel aufweist .20 oval cylinder, rings, partial rings, cones or double cone.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetanordnung (15; 21) auf oder an einem Träger angeordnet ist, der drehfest mit der Rotationsachse durch Reibschluß, Formschluß oder eine Klemmverbindung ausgebildet ist.4. Sensor arrangement according to claim 3, characterized in that the permanent magnet arrangement (15, 21) on or on a Carrier is arranged, which is rotationally fixed to the axis of rotation by frictional engagement, positive engagement or a clamping connection is formed.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekenn- 5 zeichnet, dass die Permanentmagnetanordnung (15; 21) als um die Rotationsachse herum angeordneter Ringmagnet ausgebildet ist .5. Sensor arrangement according to claim 3 or 4, characterized marked 5 records that the permanent magnet arrangement (15; 21) is designed as arranged around the axis of rotation ring magnet.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetanordnung (21) wenigstens lo ein Paar von beiderseits der Rotationsachse gegenüberliegend angeordneten Teilbereichen (19, 20) eines Stabmagneten besitzt .6. Sensor arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that the permanent magnet arrangement (21) at least lo has a pair of both sides of the rotation axis oppositely arranged portions (19, 20) of a bar magnet.
7. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der rotierende Anord- i5 nung verbundene oder verbindbare Welle (14) in der Rotationsachse rotiert und die Permanentmagnetanordnung (15; 21) trägt .7. Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a shaft connected to the rotating arrangement or connectable shaft (14) rotates in the axis of rotation and the permanent magnet arrangement (15, 21) carries.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) durch ein den wenigstens einen Hallsensor8. Sensor arrangement according to claim 7, characterized in that the shaft (14) by a the at least one Hall sensor
20 (16) enthaltendes Sensorgehäuse (12) verläuft oder in dieses Gehäuse (12) hineinragt.20 (16) containing sensor housing (12) extends or projects into this housing (12).
9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) an die rotierende Anordnung ankoppelbar, insbesondere ansteckbar ausgebildet ist . 59. Sensor arrangement according to claim 8, characterized in that the shaft (14) can be coupled to the rotating arrangement, in particular attachable. 5
10. Sensoranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Hallsensor (16) auf einer Platine (13) im Gehäuse (12) angeordnet ist. 10. Sensor arrangement according to claim 8 or 9, characterized in that the at least one Hall sensor (16) on a circuit board (13) in the housing (12) is arranged.
11. Sensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (13) eine Durchstecköffnung für die Welle (14) und/oder eine elektrische Anschlussanordnung (17) aufweist .11. Sensor arrangement according to claim 10, characterized in that the circuit board (13) has an insertion opening for the shaft (14) and / or an electrical connection arrangement (17).
5 12. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) einen abnehmbaren Deckel (11) besitzt, der durchsichtig ist oder ein Fenster zur Beobachtung eines die Drehwinkelposition der Welle (14) anzeigenden Anzeigeelements (18) besitzt.12. Sensor arrangement according to one of claims 8 to 11, characterized in that the housing (12) has a removable lid (11) which is transparent or a window for observing a rotational angular position of the shaft (14) indicating display element (18) has.
lo 13. Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Anzeigeelement (18) am freien Endbereich der Welle (14) angeordnet ist.13. Sensor arrangement according to claim 12, characterized in that the display element (18) at the free end portion of the shaft (14) is arranged.
14. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Winkeljustierung des i5 wenigstens einen Hallelements (16) auf einen Winkel vorgesehen sind, bei dem die beiden magnetischen Feldkomponenten (Hx, Hy) die selbe maximale Amplitude besitzen und/oder bei dem eine optimale Linearität vorliegt.14. Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that means for angular adjustment of i5 at least one Hall element (16) are provided at an angle at which the two magnetic field components (Hx, Hy) have the same maximum amplitude and / or at which has an optimal linearity.
15. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 20 dadurch gekennzeichnet, dass die die beiden senkrecht zueinander stehenden magnetischen Feldkomponenten (Hx, Hy) erfassenden Hallsensorsignale durch eine arctan-Funktion verknüpft werden. 15. Sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the two mutually perpendicular magnetic field components (Hx, Hy) detecting Hall sensor signals are linked by an arctan function.
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