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Die
Erfindung betrifft einen magnetostriktiven Wegsensor mit Selbstdiagnose-Funktionalität, der
mindestens einen außerhalb des Sensorgehäuses
beweglich angeordneten magnetischen Positionsgeber aufweist.
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Stand der Technik:
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Magnetostriktive
Wegsensoren werden zum Beispiel eingesetzt, um Kolbenbewegungen
in hydraulischen Systemen oder Vorschübe an metall- oder
kunststoffverarbeitenden Maschinen zu überwachen. Das von
dem magnetostriktiven Wegsensor ausgegebene Mess-Signal dient dabei
als Eingangsgröße für die elektronische
Positionsregelung.
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Innerhalb
derartiger magnetostriktiver Wegsensoren ist über den Messbereich
ein Draht mit magnetostriktiven Eigenschaften, welcher auch als Wellenleiter
bezeichnet wird, frei aufgespannt. Zu Beginn eines jeden Messzyklus
wird der Wellenleiter von einem elektrischen Impuls-Strom durchflossen. An
der zu messenden Position wirkt ein außerhalb des Sensorgehäuses
beweglich angeordneter magnetischer Positionsgeber derart, dass
sein Magnetfeld zusammen mit dem von dem elektrischen Impuls-Strom
erzeugten, sich zirkular um den Wellenleiter ausbildenden Magnetfeld
dort ein mechanisches Wellenpaket innerhalb des Wellenleiters auslöst,
welches mit Schallgeschwindigkeit zu beiden Enden des Wellenleiters
läuft. Während an dem Ende des Wellenleiters,
welches sich am Ende des Messbereichs befindet, das mechanische
Wellenpaket durch eine entsprechende mechanische Anbindung des Wellenleiters
weitgehendst ohne Reflektion absorbiert wird, wird am Messbereichsanfang
das mechanische Wellenpaket mittels einer geeigneten magneto-elektrischen
Wandlervorrichtung in ein elektrisches Signal umgewandelt. Eine
Auswerte-Elektronik misst die Laufzeit der mechanischen Welle auf
dem Wellenleiter vom Ort des Positionsgebers bis zum Messbereichsanfang,
welche sich mit hinreichender Genauigkeit aus der Zeitspanne zwischen
dem Auftreten des Impuls-Stromes auf dem Wellenleiter und dem Auftreten
des in der magneto-elektrischen Wandlervorrichtung erzeugten elektrischen
Signals ergibt. Die gemessene Zeitspanne wird von der Auswerte-Elektronik
in ein Ausgangssignal umgewandelt, beispielsweise in ein analoges
Spannungssignal, welches nach außen bereitgestellt wird. Üblicherweise
sind magnetostriktive Sensoren in der Lage, die Position mehrerer
magnetischer Positionsgeber zu erfassen. Um jedoch zu diesem Zweck
innerhalb eines Messzyklus die Laufzeiten mehrerer Wellenpakete
erfassen zu können, sind bestimmte Mindestabstände
zwischen den einzelnen Positionsgebern einzuhalten, beispielsweise
ein Abstand von 30 Millimeter.
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Soll
ein magnetostriktiver Sensor in sicherheitskritischen Systemen eingesetzt
werden, so ist es erforderlich, dass ein möglicher Fehler
innerhalb des Sensors sicher diagnostiziert wird.
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In
der Schrift
DE
20 2004 002891 U1 wird ein Sensor beschrieben, welcher über
eine Diagnose-Funktionalität verfügt. Diese beschränkt
sich jedoch nur auf die Erkennung des Positionsmagneten und dem
Vorhandensein von zwei internen Spannungswerten. Eine Bewertung
eines im normalen Betrieb ausgegebenen Positionssignals hinsichtlich Übereinstimmung
mit der tatsächlich vorliegenden Position wird mit dieser
Ausführung nicht vorgenommen.
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Weiterhin
ist aus den Schriften
DE
3304520 A1 ,
DE
3131455 A1 bekannt, einen magnetostriktiven Sensor mit
einem zusätzlichen an bekannter fester Position angeordneten
Referenzmagnet auszustatten, um ein Referenzsignal zu erhalten,
welches benutzt werden kann, um Temperatureinflüsse auf das
Mess-Signal durch geeignete interne Signalverarbeitung zu eliminieren.
Diese Ausführungen besitzen die nachteilige Eigenschaft,
dass zwischen dem Referenzmagnet und dem Positionsmagnet ein räumlicher
Mindestabstand vorliegen muss, um eine für eine Signalerkennung
notwendige Trennung der durch beide Magnete erzeugten, auf dem Wellenleiter
laufenden, mechanischen Wellen zu erhalten. Dies schränkt
den nutzbaren Messbereich ein. Eine weitere nachteilige Eigenschaft
einer derartigen Ausführung mit einem feststehenden Referenzmagnet besteht
darin, dass sich der Positionsmagnet wegen der Forderung einer notwendigen
Trennung der durch beide Magnete erzeugten, auf dem Wellenleiter
laufenden, mechanischen Wellen stets auf der gleichen Seite des
Referenzmagnet befindet. Befindet sich der Referenzmagnet am Messbereichsanfang,
so ist je Messzyklus ausschließlich das zweite, an der
magneto-elektrischen Wandlervorrichtung ankommende Wellenpaket für
die Bestimmung der Position des Positionsmagneten heranzuziehen.
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Somit
wird nicht erkannt, wenn die nachfolgende Signalauswertung eine
Fehlfunktion derart aufweist, dass sie innerhalb eines Messzyklus
stets das zweite Wellenpaket fehlerhaft auswertet. Befindet sich
der Referenzmagnet am Messbereichsende, so ist je Messzyklus ausschließlich
das erste, an der magneto-elektrischen Wandlervorrichtung ankommende
Wellenpaket für die Bestimmung der Position des Positionsmagnet
heranzuziehen. Somit wird nicht erkannt, wenn die nachfolgende Signalauswertung
eine Fehlfunktion derart aufweist, dass sie innerhalb eines Messzyklus
stets das erste Wellenpaket fehlerhaft auswertet.
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Aufgabenstellung:
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen magnetostriktiven Wegsensor
zu schaffen, welcher über eine Selbstdiagnose-Funktionalität
verfügt, die eine Fehlfunktion der magnetostriktiven Sensorik
sicher erkennt und kostengünstig herzustellen ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen magnetostriktiven Wegsensor mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Sensor weist mindestens 2 Elektromagnete
auf, welche innerhalb des Gehäuses des magnetostriktiven
Wegsensors an festen Positionen angeordnet sind, wobei ein Elektromagnet
in der Nähe des Messbereichsanfangs und ein Elektromagnet
in der Nähe des Messbereichsendes fest angebracht ist.
Die Elektromagnete sind vorzugsweise als kernlose um den Wellenleiter
gewickelte Spulen ausgeführt, deren Draht aus elektrisch leitendem,
aber nichtmagnetischen Material besteht, beispielsweise aus Kupfer.
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Jeder
Elektromagnet ist derart ausgeführt, dass er im aktiven
Zustand so auf das magnetostriktive Messsystem einwirkt, dass der
magnetostriktive Sensor ein Referenzsignal erzeugt, welches der
Position des aktiven Elektromagnet entspricht. Die Elektromagnete
werden wechselweise aktiv geschaltet, indem jeweils während
eines Messzyklus nur ein Elektromagnet von einem Strom durchflossen
wird. Die Auswerteelektronik wertet somit während jedem Messzyklus
die Position des Positionsgebers und des während des Messzyklus
aktiven Elektromagneten aus, Hierbei wechselt sich von einem Messzyklus zum
folgenden Messzyklus die Reihenfolge der in der magneto-elektrischen
Wandlervorrichtung eintreffenden auszuwertenden Wellenpakete des
aktiven Elektromagneten und des Positionsmagneten ab. Innerhalb
der weiterverarbeitenden Elektronik wird die Auswahl des aktiv zu
schaltenden Elektromagneten und des Wellenpakets, welches für
die Bestimmung der Position des Positionsmagneten heranzuziehen ist,
synchronisiert. Diese Aufgabe kann beispielsweise ein Mikrocontroller übernehmen.
Somit steht jeweils zusätzlich zum Positionssignal des
Positionsmagneten ein Referenzsignal eines der an fester bekannter
Position befindlichen Elektromagneten zur Verfügung. Eine
nachfolgende Signalauswertung erkennt bei nicht vorhandener Übereinstimmung
der Referenzsignale der Elektromagnete mit ihren bekannten mechanischen
Positionen einen Fehler des Mess-Systems und kann beispielsweise
ein Fehlersignal an die Umgebung bereitstellen oder den Sensor komplett
abschalten. Befindet sich der Positionsmagnet sehr nahe an der Position
eines der Elektromagnete oder beispielsweise überdeckend
an der gleichen Position, so kommt es zu keiner Beeinträchtigung
der Funktion während des Zyklus, in dem der andere Elektromagnet
aktiv geschaltet ist, da der überdeckte nicht aktiv geschaltete
Elektromagnet, welcher kernlos und aus nichtmagnetischem Draht gewickelt
ist, das Magnetfeld des Positionsmagneten nicht beeinflusst. Wird
nun im nächsten Zyklus dieser Elektromagnet aktiv geschaltet,
so liegt während dieses Messzyklus die Situation vor, dass
sowohl der Elektromagnet sowie der Positionsmagnet den für eine
Signalauswertung notwendigen Mindestabstand unterschritten haben
und die beiden mechanischen Wellenpakete nicht sauber getrennt sind.
Dies wird von der Signalelektronik erkannt und die Messung während
dieses Messzyklus wird ignoriert beziehungsweise ausgeblendet. Im
nachfolgenden Messzyklus kann die Berechtigung dieses Vorganges
dadurch abgesichert werden, da die in diesem Zyklus wieder durchführbare
Messung ein Positionssignal des Positionsmagneten liefert, welches
die räumliche Nähe des Positionsmagneten zu dem
im vorhergehenden Messzyklus aktiven Elektromagneten bestätigt.
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Wie
beschrieben wechselt die Reihenfolge der von einem Elektromagnet
und vom Positionsmagnet verursachten, in der magneto-elektrischen Wandlervorrichtung
eintreffenden Wellenpakete ab. Somit ist es nicht möglich,
dass ein fehlerhaftes Positionssignal des Positionsmagneten nur
dadurch nicht erkannt wird, dass sein zugehöriges Wellenpaket
immer in gleicher Reihenfolge in der magneto-elektrischen Wandlervorrichtung
eintrifft.
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Ein
derartiger magnetostriktiver Wegsensor besitzt somit die vorteilhafte
Eigenschaft, dass das Positionssignal des Positionsmagneten mit
hoher Sicherheit auf Übereinstimmung mit der tatsächlichen Position
diagnostiziert werden kann. Weiterhin besitzt ein derartiger magnetostriktiver
Wegsensor die vorteilhafte Eigenschaft, dass der Messbereich dieses
Sensors durch die zusätzliche Diagnose-Funktionalität
nicht verkleinert wird und dass die Diagnosefunktionalität
durch die Implementierung weniger zusätzlicher Komponenten
umsetzbar ist.
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1 zeigt
eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Sensors. Innerhalb des geschlossenen Gehäuses 10 eines
magnetostriktiven Sensors befindet sich der Wellenleiter 30,
welcher innerhalb eines Führungsrohrs 70 mechanisch
geführt ist. Außerhalb des geschlossenen Sensorgehäuses 10 ist
ein Positionsmagnet 40 berührungslos über
den Messbereich 80 verschiebbar angeordnet. Innerhalb des
Sensorgehäuses befindet sich die Auswerte-Elektronik 20.
Weiterhin ist innerhalb des Sensorgehäuses 10 am
Anfang des Messbereichs 80 an definierter Stelle eine erste
Elektromagnet-Spule 50 um das Führungsrohr 70 des
Wellenleiters 30 gewickelt. Weiterhin ist innerhalb des
Sensorgehäuses 10 am Ende des Messbereichs 80 an
definierter Stelle eine zweite Elektromagnet-Spule 60 um
das Führungsrohr 70 des Wellenleiters 30 gewickelt.
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Die
Funktionsweise des in 1 dargestellten Wegsensors stellt
sich wie folgt dar:
Während eines betrachteten Messzyklus
wird beispielsweise der Elektromagnet 50 am Messbereichsanfang
aktiv geschaltet, während der Elektromagnet 60 am
Messbereichsende nicht bestromt wird und deswegen nicht aktiv ist.
Während dieses Messzyklus wertet die Auswerte-Elektronik 20 die
Position des Elektromagneten 50 sowie die Position des
Positionsmagneten 40 aus. Während des folgenden Messzyklus
wird darauf hin der Elektromagnet 60 am Messbereichsende
aktiv geschaltet, während der Elektromagnet 50 am
Messbereichsanfang nicht bestromt wird und deswegen nicht aktiv
ist. Während dieses Messzyklus wertet die Auswerte-Elektronik 20 die
Position des Elektromagneten 60 sowie die Position des
Positionsmagneten 40 aus. Die von der Auswerte-Elektronik 20 ermittelte
Position des Positionsmagneten 40 wird beispielsweise als
analoges Spannungssignal nach außen zur Verfügung
gestellt. Unterschreitet der Abstand des Positionsmagneten 40 zu
dem aktiv geschalteten Elektromagneten 50, 60 den
Wert, für den eine Signalauswertung gerade noch möglich
ist, so wird diese Messung in der Auswerte- Elektronik 20 intern
ausgeblendet. Nach Auswertung des darauf folgenden Messzyklus, in
welchem der gegenüberliegende, ausreichend entfernte Elektromagnet 60, 50 aktiv
geschaltet ist, wird das nach außen gegebene Positionssignal
aktualisiert. Die ermittelten Referenzwerte der Elektromagnete 50, 60 werden
intern auf Übereinstimmung mit Ihren tatsächlichen
bekannten Positionen überprüft. Wird hier eine
Abweichung ermittelt, welche größer als ein festgeleger
Grenzwert ist, so gibt der Sensor ein Fehlersignal nach außen
oder schaltet sich ab.
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- 10
- Sensorgehäuse
- 20
- Auswerte-Elektronik
- 30
- Wellenleiter
- 40
- Positionsmagnet
- 50
- Elektromagnet-Spule
am Messbereichsanfang
- 60
- Elektromagnet-Spule
am Messbereichsende
- 70
- Führungsrohr
des Wellenleiters
- 80
- Messbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202004002891
U1 [0005]
- - DE 3304520 A1 [0006]
- - DE 3131455 A1 [0006]