CH652496A5 - Integrated position sensor at an actuator cylinder - Google Patents

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CH652496A5
CH652496A5 CH2075/81A CH207581A CH652496A5 CH 652496 A5 CH652496 A5 CH 652496A5 CH 2075/81 A CH2075/81 A CH 2075/81A CH 207581 A CH207581 A CH 207581A CH 652496 A5 CH652496 A5 CH 652496A5
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position transmitter
transmitter according
integrated position
magnetization pattern
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CH2075/81A
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English (en)
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Henning Dipl-Ing Wolf
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Festo Maschf Stoll G
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Description

40 Die Erfindung betrifft einen integrierten Stellungsgeber an einem Arbeitszylinder, mit einer synchron zur Kolbenstange bewegten Permanentmagnetanordnung und mit einer auf Magnetfelder ansprechenden stationären Detektoranordnung.
Zur Erfassung der Ist-Stellung eines bewegten Maschinenteils 45 sind verschiedene elektrische Messwertgeber bekannt, z.B. Präzisionspotentiometer, deren Schleifer mechanisch mit dem bewegten Maschinenteil verbunden ist, Endschalter, die durch das bewegte Maschinenteil beim Erreichen vorgegebener Stellungen betätigt werden, induktive Geber usw. Derartige Mess-50 wertgeber können im Prinzip auch an druckmittelbetätigten Arbeitszylindern angebaut werden. Alle an einen Arbeitszylinder aussen angebauten Teile sind aber stets der Gefahr einer Beschädigung oder Verschmutzung im Betrieb ausgesetzt. Ausserdem haben diese anzubauenden bekannten Messwertgeber 55 oft einen mechanisch anfälligen Aufbau und eignen sich nicht zum dauernden Einsatz unter widrigen Bedingungen, für welche die Arbeitszylinder selbst an sich durchaus ausgelegt sind. Es sind ferner spezielle Stellungsgeber für Arbeitszylinder bekannt, die vollständig in den Zylinder integriert sind, so dass die soeben 60 geschilderten Nachteile nicht bestehen. Derartige Stellungsgeber weisen in die Zylinderstirnwände eingelassene pneumatische oder elektrische Endschalter auf, die direkt durch den Kolben beim Erreichen seiner Endlagen betätigt werden. Diese Stellungsgeber haben aber den Nachteil, dass sie Zwischenstellungen 65 des Kolbens nicht erfassen können.
Durch die vorliegende Erfindung soll demgegenüber ein Stellungsgeber für einen Arbeitszylinder geschaffen werden, der vollständig in den Arbeitszylinder integriert ist, trotzdem aber
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auch Zwischenstellungen mit guter Auflösung zu ermitteln ge- oder nur sehr schlecht magnetisierbarem Material besteht und stattet. das Magnetisierungsmuster von einer formschlüssig in eine Nut
Die obige Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, der Kolbenstange eingesetzten Leiste aus magnetisierbarem dass die Oberfläche der Kolbenstange ein sich in Kolbenstangen- Material getragen ist.
längsrichtung änderndes Magnetisierungsmuster trägt, das in der 5 Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 8
Umgebung der Kolbenstangenoberfläche einen magnetischen können auch die Oberflächen von Kolbenstangen mit einem
Streufluss erzeugt, in dessen Reichweite die Detektoranordnung Magnetisierungsmuster versehen werden, welche an sich im angeordnet ist. Hinblick auf eine einfache Herstellbarkeit in grossen Stückzah-
Bei dem erfindungsgemässen Stellungsgeber ist die Kolben- len zu geringem Preis aus Kunstoff hergestellt sind.
stange selbst über das von ihr getragene Magnetisierungsmuster 10 Mit den Weiterbildungen der Erfindung gemäss den Ansprü-
mit einem «Massstab» versehen, der die mechanischen Eigen- chen 10 und 11 wird eine Verbesserung des Signal/Rauschver-
schaften der Kolbenstange in keiner Weise verändert. Die Kol- hältnisses des Stellungsgebers erhalten, zugleich werden Fehler benstange kann wie eine normale Kolbenstange in dem Zylinder- ausgemittelt, welche auf einer Unsymmetrie der Luftspalte zwi-
deckel des Arbeitszylinders geführt und abgedichtet werden. Da sehen den einzelnen Magnetfelddetektoren und der Oberfläche die Kolbenstange den «Massstab» selbst trägt, besteht keinerlei 15 der Kolbenstange beruhen.
Gefahr, dass im Dauerbetrieb durch Erschütterung od. dgl. die Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 12 Synchronisierung zwischen dem Stellungsgeber und der Kolben- wird auf sehr einfache Weise eine analoge Anzeige der Feinstelstange verloren geht. Diese Synchronisierung braucht auch nicht lung der Kolbenstange im Periodizitätsintervall erhalten. einjustiert zu werden, sie ist mit dem Aufbringen des Magnetisie- Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 13 rungsmusters auf die Kolbenstange ein für allemal vorgegeben. 20 wird eine besonders präzise Interpolation der Feinstellung der Auf das Magnetisierungsmuster ansprechende Magnetfelddetek- Kolbenstange innerhalb eines Periodizitätsintervalles des toren sind z. B. in Form von Hallgeneratoren oder mit einer Magnetisierungsmusters erhalten.
Schreib/Leseeinrichtung versehene Ferritkernen in kompakter Dabei gestattet die Weiterbildung der Erfindung gemäss Bauweise und preisgünstig im Handel erhältlich. Sie lassen sich Anspruch 14 eine besonders bequeme Ablesung der Feinstelohne Schwierigkeiten in den Zylinderdeckel integrieren, durch 25 lung. Ausserdem wird bei dieser Weiterbildung von digitalen welchen die Kolbenstange hindurchgeführt ist, oder ohne ins Schaltkreisen Gebrauch gemacht, welche die Erzeugung der Gewicht fallende Vergrösserung der axialen Baulänge direkt auf Steuerströme für die verschiedenen Magnetfelddetektorgruppen den Zylinderdeckel aufsetzen. Über das lichte Mass des Arbeits- auf einfache Weise mit hoher Präzision gewährleisten können. Zylinders hinausragende und daher gefährdete Teile enthält der Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 15 erfindungsgemässe Stellungsgeber somit nicht. 30 wird erreicht, dass die höheren Bits des Auf/Abzählers direkt für
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den ab- die Messung der Grobstellung der Kolbenstange verwendet hängigen Ansprüchen angegeben. werden können.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 2 wird Bei der alternativen Weiterbildung nach Anspruch 16 erfolgt eine besonders gute Auflösung des Stellungsgebers erhalten, da die Messung der Grobstellung der Kolbenstange direkt durch sich die Magnetisierung in Kolbenstangenlängsrichtung stark 35 Zählen der an der Detektoranordnung in der einen oder anderen
ändern kann, so dass man auch nicht entsprechend stark Richtung vorbeigelaufenen Perioden des Magnetisierungsmu-
ändernde Ausgangssignale der Magnetfelddetektoren erhält. sters. Man ist auf diese Weise freier in der Wahl desjenigen
Die Grobstellung der Kolbenstange, also die Anzahl der Teilun- Zählerstandes des Auf/Abzählers, welcher der Periode des gen, um welche das Magnetisierungsmuster verschoben wurde, Magnetisierungsmusters zugeordnet ist.
lässt sich leicht durch einen mit den Magnetfelddetektoren 40 Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei-
zusammenarbeitenden Zähler ermitteln. Zwischenstellungen spielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher der Kolbenstange innerhalb des Periodizitätsintervalles des erläutert. In dieser zeigen:
Magnetisierungsmusters lassen sich leicht aus dem Betrag und/ Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen Arbeitszylinder mit oder der Phasenlage der Ausgangssignale der Magnetfelddetek- einem integrierten Stellungsgeber hoher Auflösung;
toren ermitteln. 45 Fig. 2 eine perspektivische, teilweise weggebrochene Darstel-
Die Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 3 ist im lung eines Arbeitszylinders, in welcher eine in den Zylinderdek-
Hinblick auf ein besonders einfaches Erzeugen des Magnetisie- kel integrierte Magnetfelddetektoranordnung näher gezeigt ist;
rungsmusters aber auch im Hinblick auf ein besonders einfaches Fig. 3 eine elektrische Auswerteschaltung, welche an die
Interpolieren von Zwischenstellungen der Kolbenstange im Magnetfelddetektoren des Kolbenstangen-Stellungsgebers nach
Periodizitätsintervall von Vorteil. 50 den Fig. 1 oder 2 anschliessbar ist;
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 4 wird Fig. 4 bis 6 schematische Darstellungen von Kolbenstangen,
erreicht, dass eine Mehrzahl mit unterschiedlichem Feld beauf- welche Magnetisierungsmuster anderer Geometrie als die in Fig.
schlagter Magnetfelddetektoren in einer Ebene angeordnet wer- 1 gezeigte tragen;
den kann. Dies bedeutet, dass man eine derartige Detektoran- Fig. 7 und 8 schematische Darstellungen von Magnetfeiddeordnung auch in geringe Dicke aufweisende Zylinderdeckel 55 tektoranordnungen, welche eine Mehrzahl zur Verbesserung des vollständig unterbringen kann. Ausserdem lässt sich ein wendel- Signal/Rauschverhältnisses und zur Ausräumung von Spaltunre-förmiges Magnetisierungsmuster wiederum besonders einfach gelmässigkeiten zusammengeschalteter Einzelmagnetfelddetek-erzeugen, da man um die Kolbenstange herum nur einen entspre- toren aufweisen, und chend gewendelten elektrischen Leiter anzuordnen braucht, Fig. 9 eine schematische Darstellung einer mit einem Magneti-
welcher zum Erzeugen des Magnetisierungsmusters mit einem 60 sierungsmuster einer Kolbenstange zusammenarbeitenden ausreichend grossen Gleichstrom beaufschlagt wird. Magnetfelddetektoranordnung, deren Ausgangssignal direkt
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 5 wird zum Nachführen eines drehbaren Zeigers verwendet wird,
erreicht, dass eine winkelmässige Positionierung der Kolben- Fig. 1 zeigt einen doppelt wirkenden Arbeitszylinder 10 mit stange nicht notwendig ist. Man erhält das gleiche Ausgangssi- einem Zylindergehäuse 12, in welchem ein Kolben 14 läuft.
gnal des Stellungsgebers für beliebige Winkelstellung der 65 Durch den letzteren ist das Zylinderinnere in zwei Arbeitsräume
Kolbenstange. 16,18 unterteilt, welche über Anschlussöffnungen 20,22 unter
Die Weiterbildung der Erfindung gemäss Anspruch 7 ist dann Zwischenschaltung eines nicht gezeigten Steuerventiles mit einer von besonderem Vorteil, wenn die Kolbenstange selbst aus nicht Hochdruckwelle bzw. einer Niederdruckquelle (ebenfalls nicht
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gezeigt) verbindbar sind. Die Anschlussöffnung 20 ist im angeformten Boden des Zylindergehäuses 12 vorgesehen, die Anschlussöffnung 22 in einem auf das freie Ende des Zylindergehäuses 12 strömungsmitteldicht aufgeschraubten Zylinderdeckel 24.
Der Zylinderdeckel 24 hat eine mittige Öffnung 26, durch welche eine mit dem Kolben 14 verbundene Kolbenstange 28 unter Verwendung einer nicht näher gezeigten Dicht- und Lagerpackung hindurchgeführt ist.
Die Kolbenstange 28 ist aus magnetisierbarem Material hergestellt, z.B. aus Stahl oder Eisen. Ihre Oberfläche ist in üblicher Weise auf geringe Rauhigkeit bearbeitet. Nach der Herstellung ist in der Oberfläche der Kolbenstange 22 ein wendeiförmiges Magnetisierungsmuster 30 erzeugt worden, indem man einfach um die Kolbenstange 28 einen entsprechend wendeiförmigen elektrischen Leiter herumlegt und durch diesen einen Gleichstrom fliessen lässt.
In die Öffnung 26 des Zylinderdeckels 24 münden vier unter gleichem Winkelabstand angeordnete transversale Bohrungen, in denen jeweils ein Hallgenerator angeordnet ist. Von diesen vier Hallgeneratoren sind in Fig. 1 zwei gezeigt und mit 32 und 34 bezeichnet. Die Hallgeneratoren 32 und 34 sind über ihnen zugeordnete vieradrige Kabel 36,38 für den Speisestrom I und die Hallspannung UH mit einer Betriebsschaltung verbunden, welche in Fig. 1 nicht wiedergegeben ist und unter Bezugnahme auf Fig. 3 noch genauer erläutert wird.
Man erkennt aus Fig. 1, dass die halbe Steigung des wendeiförmigen Magnetisierungsmusters 30 geringfügig grösser ist als der Erstreckung der Hallgeneratoren 32,34 in axialer Richtung der Kolbenstange 28 entspricht. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das die einander bezüglich der Kolbenstangenachse gegenüberliegenden Hallgeneratoren 32,34 jeweils durchsetzende Magnetfeld entgegengesetzte Richtung und gleichen Betrag hat.
Fig. 2 zeigt Einzelheiten der Anordnung der Hallgeneratoren im Zylinderdeckel 24 bei einem bezüglich der Anordnung der Anschlussöffnungen 22' und 24' geringfügig abgewandelten Arbeitszylinder 10'.
Man erkennt unter dem Hallgenerator 32 einen weiteren Hallgenerator 40, der zusammen mit einem auch in Fig. 2 nicht gezeigten vierten Hallgenerator auf einer senkrecht zur Verbindungslinie der Hallgeneratoren 32 und 34 stehenden Achse angeordnet ist. Man erkennt, dass hinter den eigentlichen plätt-chenförmigen Hallgeneratoren jeweils ein stabförmiger Weicheisenkörper 42 vorgesehen ist, durch welchen der Magnetfeldflus's durch den zugeordneten Hallgenerator optimiert wird.
In der Praxis ist die Kolbenstange 28 dadurch gegen ein Verdrehen gesichert, dass sie mit einer entsprechend geführten Last verbunden ist. Damit ist der Magnetfeldfluss durch die Hallgeneratoren direkt ein Mass für die Stellung der Kolbenstange innerhalb eines Periodizitätsintervalles des Magnetisierungsmusters 30.
Fig. 3 zeigt im unteren rechten Teil am Beispiel der Hallgeneratoren 32 und 34, wie die jeweils einander bezüglich der Kolbenstangenachse gegenüberliegenden Hallgeneratoren zusammengeschaltet sind. Bezüglich ihres Speisestromes Ii sind die beiden Hallgeneratoren 32 und 34 in Reihe geschaltet,
werden also von einem Strom gleicher Amplitude und gleicher Richtung durchflössen. Da die beiden Hallgeneratoren 32 und 34 lokalen Magnetfeldern entgegengesetzter Richtung ausgesetzt sind, also auch ihre Hallspannungen UH entgegengesetztes Vorzeichen haben, werden letztere auf die Eingänge eines Differenzverstärkers 44 gegeben, der so effektiv den Betrag der lokalen Magnetfelder des Magnetisierungsmusters 30 bei den Hallgeneratoren 32 und 34 aufsummiert und zugleich geringfügige Unterschiede im Luftspalt zwischen den einander gegenüberliegenden Hallgeneratoren und der Kolbenstangenoberfläche ausgleicht.
Die beiden Hallgeneratoren 32 und 34 bilden zusammen mit dem Differenzverstärker 44 eine Detektoreinheit 46, welche im Hauptteil von Fig. 3 als ein Block eingetragen ist. Eine zweite
Detektoreinheit 48 hat intern den gleichen schaltungstechnischen Aufbau wie die Detektoreinheit 46, zu ihr gehören jedoch die beiden weiteren Hallgeneratoren, darunter der Hallgenerator 40, deren Verbindungslinie senkrecht auf der Verbindungslinie der Hallgeneratoren 32 und 34 steht und welche somit effektiv um eine Vierteldrehung des Magnetisierungsmusters 30 gegen die Hallgeneratoren 32 und 34 versetzt sind. Der Speisestrom für die zweite Detektoreinheit 48 ist in der Zeichnung mit I2 bezeichnet.
Die Ausgangssignale der beiden Detektoreinheiten 46 und 48 werden über Widerstände 50,52,54,56 auf die Eingangsklemmen eines Differenzverstärkers gegeben. Dessen Ausgang ist über einen Rückkoppelwiderstand 60 mit der invertierenden Eingangsklemme verbunden; die nicht invertierende Eingangsklemme des Differenzverstärkers 58 ist über einen Widerstand 62 geerdet.
Die Grösse des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 62 ist direkt ein Mass für die Summe der Beträge der die Hallgeneratoren durchsetzenden Magnetfelder. Dieses Signal ist somit auch direkt ein Mass für die relative Feinverschiebung der Kolbenstange 28 innerhalb eines Periodizitätsintervalles des Magnetisierungsmusters 30 und kann nach Verarbeitung in einem analogen Rechenkreis, welcher den genauen funktionalen Verlauf der Magnetisierung in Kolbenstangenlängsrichtung berücksichtigt, direkt in ein der Verschiebung der Kolbenstange proportionalen elektrisches Stellungssignal umgesetzt werden. Anstelle eines solchen analogen Rechenkreises, welcher in der Praxis oft Schwierigkeiten bezüglich des Langzeitverhaltens und der Präzision mit sich bringt, ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ein überwiegend mit digitalen Signalen arbeitender Nachführkreis vorgesehen, welcher nun genauer beschrieben werden soll.
Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 58 wird auf einen Eingang eines speziell ausgebildeten Komparators 64 gegeben. Dieser enthält einen nicht näher gezeigten Taktgeber oder ist an einen solchen angeschlossen und gibt an einer seiner beiden Ausgangsklemmen Zählimpulse ab, je nachdem ob das vom Differenzverstärker 58 abgegebene Signal kleiner oder grösser als ein an einem Potentiometer 66 eingestelltes Referenzsignal ist. Wie bei Nachführkreisen üblich, kann man zusätzlich vorsehen, dass an keiner der Ausgangsklemmen des Komparators 64 Zählimpulse bereitgestellt werden, wenn der Unterschied zwischen dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 58 und dem Referenzsignal kleiner ist als eine vorgegebene Schaltschwelle.
Die Ausgangsklemmen des Komparators 64 sind mit der Aufwärtszählklemme bzw. der Abwärtszählklemme eines Auf/ Abzählers 68 verbunden. Dessen Datenausgang ist über zwei digital arbeitende Kennlinienkreise 70,72 mit zwei Digital/ Analogwandlern 74,76 verbunden. Das Ausgangssignal der letzteren dient nach Verstärkung in Verstärkern 78,80 zur Speisung der Detektoreinheiten 46 und 48.
An den Datenausgang des Auf/Abzählers 68 ist ferner eine Digitalanzeige 82 angeschlossen, an welcher direkt die Feinstel-lung der Kolbenstange 28 innerhalb eines Periodizitätsintervalles des Magnetisierungsmusters 30 abgelesen werden kann.
Für die Ablesung der Grobstellung der Kolbenstange 28 ist eine zweite digitale Anzeige 84 vorgesehen, welche mit dem Datenausgang eines weiteren Auf/Abzählers 86 verbunden ist. Dessen Eingangsklemmen sind mit den Ausgangsklemmen eines zweipoligen steuerbaren Umschalters 88 verbunden, dessen Schaltstellung durch ein weiteres Ausgangssignal des Komparators 64 vorgegeben ist, welches die Bewegungsrichtung der Kolbenstange 28 charakterisiert. Ein solches Signal muss im Komparator 64, der einen ähnlichen Umschalter enthält, welcher zwischen den Taktgeber und die Ausgangsklemmen eingefügt ist, sowieso aus dem Eingangssignal und dem Referenzsignal abgeleitet werden. Der Auf/Abzähler 86 zählt somit die ansteigenden Flanken des Magnetisierungsmusters, nachdem die Eingangsklemme des Umschalters 88 mit dem Ausgang einer der
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beiden Detektoreinheiten, nämlich der Detektoreinheit 46 verbunden ist.
Die beiden Kennlinienkreise 70 und 72 sind grob gesprochen so ausgebildet, dass sie unter Berücksichtigung des genauen axialen Verlaufes des Magnetisierungsmusters 30 und der win-kelmässigen Versetzung der einzelnen Detektoreinheiten im wesentlichen eine zum Magnetisierungs verlauf inverse Kennlinie vorgeben. Die Kennlinienkreise 70 und 72 können z. B. durch entsprechende Tabellen enthaltende Speicherbereiche eines Mikroprozessors und die Recheneinheit des letzteren gebildet sein.
Die unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschriebene Betriebs- und Auswerteschaltung für die Hallgeneratoren arbeitet nach dem Nachführsystem. Derartige Nachführsysteme können entweder eine amplitudenmässige Nachführung oder eine Nachführung bezüglich der Phasenlage bewerkstelligen.
Zur Erläuterung des Arbeitens der Kennlinienkreise 70 und 72 sollen die Verhältnisse bei einer effektiven Versetzung der beiden Detektoreinheiten 46 und 48 um ein Viertel der Periode des Magnetisierungsmusters betrachtet werden, wie dies beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 der Fall ist. In diesem Falle ist die in der Detektoreinheit 46 erzeugte Hallspannung Um gegeben durch
UHi = K ■ Ij • sin(2 pi —)
Xo wobei bedeuten
K = Detektorkonstante
Ii = Speisestrom des Detektors x = Auslenkung der Kolbenstange 28
xq = Teilung des Magnetisierungsmusters in x-Richtung.
Entsprechend ist die Hallspannung Uh2 der identisch aufgebauten zweiten Detektoreinheit 48 gegeben durch
UH-> = K-I, -cos (2 pi —)
x0
Bezeichnet man den Zählerstand des Auf/Abzählers 68 mit z und einen der Teilung des Magnetisierungsmusters zugeordneten Zählerstand mit zo, so entspricht die Kennlinie des Kennlinien-
z kreises 70 der Funktion are sin (2 pi und die Kennlinie des zo
Kennlinienkreises 72 der Funktion arc cos (2 pi -=}, so erkennt zo man, dass das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 58 Uh = Uhi + Uœ = K - [arc sin (2 pi -^) ■ sin (2 pi —)
7 X X0
+ are cos (2 pi —) • cos (2 pi —)]
Zo x0
dann und nur dann gleich der am Potentiometer 66 eingestellten
Z X
Referenzspannung 2 K - ist, wenn —= —ist.
Z0 Xq
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel kann man den Zählerstand z0 beliebig wählen, so dass die Betriebsschaltung leicht an Kolbenstangen mit unterschiedlicher Teilung des Magnetisierungsmusters angepasst werden kann. Z. B. kann man den Zählerstand z0 in einer Speicherzelle abspeichern, von wo sie zur Berechnung der Kennlinie abgerufen werden kann.
Ist eine derartige Flexibilität in der Auswahl des Zählerstandes Zo nicht notwendig, so kann man diesen gerade so wählen, dass er der grössten mit einer vorgegebenen Anzahl von Datenausgangsklemmen darstellbaren Zahl entspricht. Man kann dann die Kapazität des Auf/Abzählers grösser wählen als bis zum Zählen bis zu Zahl Zo notwendig ist und die höherwertigen Bits des Zählers für die Charakterisierung der Grobstellung der Kolbenstange verwenden. Diese höherwertigen Bits des Datenausgangs des Auf/Abzählers 68 werden in diesem Fall dann also nicht an die Kennlinienkreise 70 und 72 angeschlossen, während eine einzige digitale Anzeige, welche die Anzeigen 82 und 84 ersetzt, mit allen Ausgangsklemmen des Auf/Abzählers 68 verbunden 5 wird.
Fig. 4 zeigt eine Kolbenstange 28' mit einem abgewandelten, vollständig rotationssymmetrischen Magnetisierungsmuster 30', welches aus axial aufeinanderfolgenden ringförmigen Magnetisierungsbereichen abwechselnder Polarität besteht.
10 Fig. 5 zeigt eine Kolbenstange 28", bei welcher ein Magnetisierungsmuster 30" nur als in axialer Richtung verlaufender Streifen aus aufeinanderfolgenden Magnetisierungsbereichen mit abwechselnder Polarität ausgebildet ist.
Fig. 6 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach 15 Fig. 5. die Kolbenstange 28'" trägt ein Magnetisierungsmuster 30"', welches aus zwei parallelen Streifen besteht, die jeweils eine Aufeinanderfolge von Magnetisierungsbereichen unterschiedlicher Polarität umfassen, wobei die Periodizität der beiden Streifen unterschiedlich gross gewählt ist. Auf diese Weise kann auch 20 die Grobstellung der Kolbenstange 28'" durch mit den Streifen grösserer Periodizität zusammenarbeitende Magnetfelddetektoren direkt gemessen werden.
Die Fig. 7 und 8 zeigen die Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses des Stellungsgebers durch Erhöhen der Anzahl mit 25 dem Magnetisierungsmuster zusmmenarbeitender Magnetfelddetektoren am Beispiel der Kolbenstange 28".
In Fig. 7 sind drei Magnetfelddetektoren 90,92,94 in äquivalenter Winkelstellung um die Teilung des Magnetisierungsmusters 30" in axialer Richtung versetzt angeordnet. Die Ausgangs-30 signale der mit dem gleichen Speisestrom beaufschlagten Magnetfelddetektoren 90,92,94 werden auf einen Summierver-stärker 96 gegeben, der ein entsprechend hohes Ausgangssignal bereitstellt, aus welchem statistische Fehler in den Ausgangssignalen der einzelnen Magnetfelddetektoren herausgemittelt 35 sind.
In Fig. 8sindzwei Magnetfelddetektoren 98,100 zu gegenüberliegenden Seiten der Kolbenstange 28" um eine halbe Teilung des Magnetisierungsmusters 30" versetzt angeordnet. Sie sind mit demselben Speisestrom beaufschlagt, und ihre Aus-40 gangssignale werden durch einen Differenzverstärker 102zusam-mengefasst, wodurch wiederum eine Verbesserung des Signal/ Rauschverhältnisses und eine Ausmittelung von Unregelmässigkeiten in der Grösse des Luftspaltes zwischen den Magnetfelddetektoren und dem gegenüberliegenden Oberflächenbereich der 45 Kolbenstange erhalten wird.
Es versteht sich, dass man die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 7 und 8 auch kombinieren kann, wobei man nur darauf zu achten hat, dass alle Magnetfelddetektoren mit dem gleichen Speisestrom beaufschlagt werden und die Ausgangssignale der 50 einen Polarität addiert werden und die Ausgangssignale der anderen Polarität von dem so erhaltenen Summensignal abgezogen werden, so dass man effektiv eine betragsmässige Aufsum-mierung aller Signale erhält.
Fig. 9 zeigt einen besonders einfach aufgebauten Stellungsge-55 ber für eine Kolbenstange mit direkter Analoganzeige der Feinstellung der Kolbenstange 28".
Drei Magnetfelddetektoren 104,106,108 sind um ein Drittel der Teilung des Magnetisierungsmusters 30" axial versetzt. Ihre Ausgangssignale werden über Verstärker 110,112,114zur 60 Speisung dreier unter einem Winkelabstand von 120° angeordneter Spulen 116,118,120 verwendet. Diese erzeugen zusammen ein magnetisches Drehfeld, dessen Richtung direkt der Feinstellung der Kolbenstange 28" entspricht. In diesem Drehfeld ist eine Magnetnadel 122 gelagert, welche zusammen mit einer raum-65 festen Skala (nicht gezeigt) eine einfache Ablesung der Feinstellung der Kolbenstange 28" ermöglicht.
M
5 Blatt Zeichnunaen

Claims (15)

  1. 652 496
    PATENTANSPRÜCHE
    1. Integrierter Stellungsgeber an einem Arbeitszylinder, mit einer synchron zur Kolbenstange bewegten Permanentmagnetanordnung und mit einer auf Magnetfelder ansprechenden stationären Detektoranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Kolbenstange (28) ein sich in Kolbenstangenlängsrichtung änderndes Magnetisierungsmuster (30) trägt, das in der Umgebung der Kolbenstangenoberfläche einen magnetischen Streufluss erzeugt, in dessen Reichweite die Detektoranordnung (32,34,40; 90 bis 94; 98,100; 104 bis 108) angeordnet ist.
  2. 2. Integrierter Stellungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Magnetisierungsmuster (30) in Kolbenstangenlängsrichtung periodisch ändert.
  3. 3. Integrierter Stellungsgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Magnetisierungsmuster (30) in Kolbenstangenlängsrichtung sinusförmig ändert.
  4. 4. Integrierter Stellungsgeber nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetisierungsmuster (30) wendeiförmig ist.
  5. 5. Integrierter Stellungsgeber nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetisierungsmuster (30') eine Mehrzahl axial aufeinanderfolgender ringförmiger Magnetisierungsbereiche aufweist.
  6. 6. Integrierter Stellungsgeber nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetisierungsmuster (30", 30"') streifenförmig ist und parallel zur Kolbenstangenlängsachse verläuft.
  7. 7. Integrierter Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (28) magneti-sierbares Material enthält.
  8. 8. Integrierter Stellungsgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (28) aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist, in das zumindest an der Oberfläche ein magnetisierbarer Füllstoff eingebettet ist.
  9. 9. Integrierter Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (28) einen Einsatz aus magnetisierbarem Material aufweist.
  10. 10. Integrierter Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung mehrere in Umfangs- und/oder axialer Richtung gegeneinander versetzte Magnetfelddetektoren aufweist, deren Ausgangssignale von einer Auswerteschaltung zu einem die Stellung der Kolbenstange (28) wiedergebenden Lagesignal zuammengesetzt werden.
  11. 11. Integrierter Stellungsgeber nach Anspruch 2 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Magnetfelddetektoren (32,34; 98,100) in Umfangsrichtung und/oder axialer Richtung um ein ganzzahliges Vielfaches der Hälfte der effektiven Teilung des Magnetisierungsmusters (30) gegeneinander versetzt sind und ihre Ausgangssignale von der Auswerteschaltung im Sinne einer effektiven Addition der Beträge der Signale zusammengesetzt werden.
  12. 12. Integrierter Stellungsgeber nach Anspruch 2 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils drei Magnetfelddetektoren (104 bis 108) in Umfangsrichtung und/oder axialer Richtung um jeweils ein Drittel einer effektiven Teilung des Magnetisierungsmusters (30") gegeneinander versetzt sind und deren Ausgangssignale zur Ansteuerung von unter einem Winkel von 120° angeordneten Spulen (118 bis 122) verwendet werden und in dem von der Spulenanordnung erzeugten Magnetfeld ein magnetischer Zeiger (122) drehbar angeordnet ist.
  13. 13. Integrierter Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Hallgeneratoren als Magnetfelddetektoren zusammenarbeitende Auswerteschaltung als Nachführschaltung ausgebildet ist und aufweist: einen Fehlersignalkreis (64), der aus dem Ausgangssignal der Detektoranordnung (46,48) und einem Referenzsignal (66) ein Fehlersignal erzeugt, einen Integrator (68) für das Fehlersignal, eine an den Ausgang des Integrators (68) angeschlossene Anzeige (82) sowie den einzelnen Detektoreinheiten (46,48) einzeln zugeordnete 5 Kennliniennetzwerke (70,72), welche invers zur Änderung des Magnetisierungsmusters in Kolbenstangenlängsrichtung bei der betrachteten Detektoreinheit (46,48) ausgelegt ist und deren Ausgangssignale auf steuerbare Stromquellen (74,78; 76,80) gegeben werden, mit welchen die einzelnen Detektoreinheiten 10 (46, 48) angesteuert werden.
  14. 14. Integrierter Stellungsgeber nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlersignalkreis (64) als einen Taktgeber enthaltender Komparator ausgebildet ist, welcher an einer ersten Ausgangsklemme Impulse bereitstellt, wenn das Ein-
    15 gangssignal grösser als das Referenzsignal (66) ist, und an einer zweiten Ausgangsklemme Impulse bereitstellt, wenn das Eingangssignal kleiner ist als das Referenzsignal (66), dass die beiden Ausgangsklemmen des Fehlersignalkreises (64) mit der Aufwärtszählklemme bzw. der Abwärtszählklemme eines den 20 Integrator darstellenden Auf/Abzählers (68) verbunden sind, und dass der Datenausgang des Auf/Abzählers (68) mit digital arbeitenden Kennlinienkreisen (70,72) verbunden ist, deren Ausgangsklemmen mit den Eingängen von Digital/Analogwand-lern (74,76) verbunden sind, die zu den steuerbaren Stromquel-25 len für die Detektoreinheiten (46, 48) gehören.
  15. 15. Integrierter Stellungsgeber nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass nur die niederen Stellen entsprechende Klemmen des Datenausgangs des Auf/Abzählers (68) mit den Kennlinienkreisen verbunden sind.
    30 16. Integrierter Stellungsgeber nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Auf/Abzähler (86) für die Grobstellung der Kolbenstange (28) über einen durch den Fehlersignalkreis (64) gemäss der Bewegungsrichtung der Kolbenstange (28) gesteuerten Umschalter (88) mit einer der Detektor-35 einheiten (46,48) verbunden ist und eine weitere Anzeige (84) mit dem Ausgang dieses weiteren Zählers (86) verbunden ist.
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