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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung zur Wegmessung einer Stange nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Für die Wegmessung bei hydraulischen Zylindern mit einer Kolbenstange, die beispielsweise im Offshore-, Bagger-, Verladungsbereich usw. eingesetzt werden, sind spezielle Sensoranordnungen verfügbar, welche insbesondere eine Kodierung abtasten können, welche für ein CIMS (Ceramax Integrated Measuring System) verwendet wird.
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Das aus dem Stand der Technik bekannte CIMS verwendet eine Sensoranordnung zur Wegmessung einer Stange, deren Oberfläche eine mechanische Kodierung aufweist, welche beispielsweise magnetisch erfasst und ausgewertet werden kann. Die Sensorvorrichtung umfasst eine beabstandet zur Stange angeordnete Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Magnetfeldlinien über einen Luftspalt zumindest teilweise in die kodierte Oberfläche der Stange eindringen, wobei im Luftspalt mindestens ein Magnetflusssensor zur Erfassung von Informationen über das Magnetfeld angeordnet ist, welcher zur Auswertung der erfassten Informationen des Magnetfeldes mit einer Auswerte- und Steuereinheit gekoppelt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Wegmessung einer Stange mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass durch den erfindungsgemäßen internen magnetischen Aufbau an der Einbauposition des eingesetzten mindestens einen Magnetflusssensors ein vergleichsweise starkes Magnetfeld bereitgestellt wird, welches verhindert, dass Störungen durch remanente Felder in der Stange stark auf das Funktionssignal durchschlagen können. Durch die Reihenschaltung unterstützen sich die beiden Einzelmagnete beim Aufbau des Magnetfeldes.
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Der Kern der Erfindung besteht im Aufbau der Magnetanordnung mit der Reihenschaltung von zwei Einzelmagneten, welche in vorteilhafter Weise bei nahezu gleichem Bauraum das stärkere Magnetfeld bewirken.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung zur Wegmessung einer Stange, deren Oberfläche eine mechanische Kodierung aufweist, mit einer beabstandet zur Stange angeordneten Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes zur Verfügung, dessen Magnetfeldlinien über einen Luftspalt zumindest teilweise in die kodierte Oberfläche der Stange eindringen, wobei im Luftspalt mindestens ein Magnetflusssensor zur Erfassung von Informationen über das Magnetfeld angeordnet ist, welcher zur Auswertung der erfassten Informationen des Magnetfeldes mit einer Auswerte- und Steuereinheit gekoppelt ist. Erfindungsgemäß umfasst die Magnetanordnung mindestens zwei magnetisch in Reihe geschaltete Einzelmagnete. Durch die mechanische Kodierung ändern sich die magnetischen Eigenschaften der Stange und somit der Magnetfluss des erzeugten Magnetfeldes. Diese Änderungen des Magnetflusses können von dem mindestens einen Magnetflusssensor detektiert und ausgewertet werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Sensoranordnung zur Wegmessung einer Stange möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die beiden Einzelmagnete über ein Joch mit einander gekoppelt sind, so dass innerhalb der Magnetanordnung ein geschlossener Teilmagnetkreis entsteht. Das Joch besteht vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material und leitet das Magnetfeld ohne nennenswerte Verluste. Durch die Verbindung der beiden Einzelmagnete über das Joch werden im Magnetkreis in vorteilhafter Weise große Luftspalte, welche für den Magnetkreis jeweils ungünstige Widerstände darstellen, insgesamt reduziert. Da der Magnetkreis nur noch den zu Messzwecken erforderlichen Luftspalt zwischen Magnetanordnung und beweglicher Stange aufweist, kann man von einem geschlossenen Magnetkreis sprechen. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Magnetanordnungen, welche beispielsweise gleich ausgerichtete Einzelmagnete oder eine magnetisch homogene Scheibe umfassen, verlaufen die Magnetfeldlinien des erzeugten Magnetfeldes auch außerhalb des Messluftspaltes über weite Strecken in der Luft. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Luftweg durch das neu eingeführte Joch und die Reihenschaltung der zwei Stützmagnete in vorteilhafter Weise stark verkürzt werden. Dadurch können an der Einbauposition des mindestens einen Magnetflusssensors auch bei einem größeren Abstand zur Magnetanordnung wieder Flussdichtewerte im Bereich von ungefähr 170 mT erreicht werden, wodurch eine negative Beeinflussung des Messergebnisses durch remanente Störungen auf der Stange nahezu vermieden werden kann. Herkömmliche Sensoranordnungen erreichen dort lediglich ungefähr 30 mT und können daher durch remanente Störungen auf der Stange bei der Auswertung gestört werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung erfasst die Auswerte- und Steuereinheit Änderungen der magnetischen Flussdichte über zwei im Luftspalt angeordnete Magnetflusssensoren und wertet diese zur Ermittlung einer Bewegung der Stange aus.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist die Stange aus einem weichmagnetischen Material hergestellt, so dass der Einfluss der mechanischen Kodierung auf den Magnetfluss des erzeugten Magnetfeldes in vorteilhafter Weise verstärkt und dadurch einfacher detektiert werden kann. Die mechanische Kodierung der Stange sollte so groß ausgeführt werden, dass die resultierende Magnetfeldänderung bzw. Magnetflussänderung von den Magnetflusssensoren detektiert werden kann. Zudem kann die Stange eine Beschichtung, vorzugsweise eine Ceramax Beschichtung zur Erzeugung einer glatten Oberfläche über der Kodierung aufweisen. Die Beschichtung der Stange ermöglicht in vorteilhafter Weise die Bereitstellung von vorgegebenen Dicht- und Gleiteigenschaften der Stange, insbesondere wenn diese als Kolbenstange in einem fluidischen System eingesetzt wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann die Magnetanordnung als Mehrpol, beispielsweise als Vierpol, mit mindestens zwei magnetisch in Reihe geschalteten Einzelmagneten ausgeführt werden, welche direkt nebeneinander angeordnet sind. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für kleine Kodeabstände, wobei bei einer kleinen Breite des Luftspaltes in vorteilhafter Weise zusätzlich auf das Joch verzichtet werden kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sind im Luftspalt zwei Magnetflusssensoren mit einem vorgegebenen axialen Abstand im Bezug auf die Stange angeordnet. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Erzeugung und Auswertung eines Differenzsignals zwischen den beiden Magnetflusssensoren, wodurch die Zuverlässigkeit und die Robustheit gegenüber Störungen der Wegemessung verbessert werden kann. In vorteilhafter Weise ist der axiale Abstand der beiden Magnetflusssensoren auf die magnetische Kodierung der Stange abgestimmt. Der mindestens eine Magnetflusssensor ist vorzugweise als Hallelement ausgeführt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit.
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2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines für die Simulation relevanten Ausschnitts einer CIMS-kodierten Kolbenstange mit magnetisch relevanten Elementen des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sensoreinheit aus 1.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des Magnetkreises des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit aus 1 und 2.
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4 zeigt ein Kennliniendiagramm zum Vergleich von Modulationsamplitude-Abstand-Kennlinien von Sensoreinheiten mit verschiedenen ferromagnetischen Strukturen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 zur Wegmessung einer Stange 30, deren Oberfläche eine mechanische Kodierung 32 aufweist, welche magnetisch erfasst und ausgewertet wird, eine Magnetanordnung 10 zur Erzeugung eines Magnetfeldes 18, welche beabstandet zur Stange 30 angeordnet ist, deren Bewegung erkannt und gemessen werden soll. Die Magnetfeldlinien 18.1 des erzeugten Magnetfeldes 5 dringen über einen Luftspalt 26 zumindest teilweise in die kodierte Oberfläche 32 der Stange 30 ein. Wie insbesondere aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist im Luftspalt 26 zwischen der Magnetanordnung 10 und der beweglichen Stange 30 mindestens ein Magnetflusssensor 22, 24 zur Erfassung von Informationen über das Magnetfeld 18 angeordnet. Der mindestens eine Magnetflusssensor 22, 24 ist vorzugsweise als Hallelement ausgeführt. Es können jedoch auch andere dem Fachmann bekannte Sensoren zur Erfassung des Magnetflusses verwendet werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Magnetflusssensoren 22, 24 mit einem vorgegebenen axialen Abstand D2 im Bezug auf die Stange 30 zueinander im Luftspalt 26 angeordnet. Zur Auswertung der erfassten Informationen des Magnetfeldes 18 sind die beiden Magnetflusssensoren 22, 24 über entsprechende Kommunikationsverbindungen mit einer Auswerte- und Steuereinheit 20 gekoppelt, welche die ermittelte Weginformation der Stange 30 an übergeordnete System bzw. Funktionen weiterleitet. Somit erfasst die Auswerte- und Steuereinheit 20 durch die Kodierung 32 der Stange 30 bewirkte Änderungen der magnetischen Flussdichte über die beiden im Luftspalt 26 angeordneten Magnetflusssensoren 22, 24 und wertet diese zur Ermittlung einer Bewegung der Stange 30 aus.
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Erfindungsgemäß umfasst die Magnetanordnung 10 mindestens zwei magnetisch in Reihe geschaltete Einzelmagnete 12, 14, um den Magnetfluss zu erhöhen bzw. das Magnetfeld 18 zu stärken. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Einzelmagnete 12, 14 über ein weichmagnetisches Joch 16 mit einander gekoppelt und unterstützen einander im Aufbau des Magnetfeldes 16, so dass innerhalb der Magnetanordnung 10 ein geschlossener Teilmagnetkreis entsteht und der Anteil der in Luft verlaufenden Magnetfeldlinien 18.1 und damit der magnetische Widerstand reduziert werden können. Das Joch 16 leitet den Magnetfluss ohne nennenswerte Verluste. Vorzugsweise ist die Stange 30 aus einem weichmagnetischen Material hergestellt und schließt den Magnetkreis. Durch das weichmagnetische Material der Stange 30 wird der Einfluss der mechanischen Kodierung 32 auf die magnetischen Eigenschaften der Stange 30 in vorteilhafter Weise verstärkt.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, weist die mechanische Kodierung 32 der Stange 30 einen vorgegebenen Kodeabstand K1 auf. Hierbei ist der Kodeabstand K1 der mechanischen Kodierung 32 der Stange 30 und der axiale Abstand D2 der beiden Magnetflusssensoren 22, 24 auf einander abgestimmt. Zur Erzeugung einer glatten Oberfläche weist die Stange 30 eine Beschichtung 34 auf, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel als Ceramax Beschichtung ausgeführt ist. Die beiden im Luftspalt 26 jeweils zwischen den Einzelmagneten 12, 14 und der Stange 30 angeordneten Magnetflusssensoren 22, 24 registrieren die Änderung der magnetischen Flussdichte während der Bewegung der Stange 30 in eine der beiden Bewegungsrichtungen R1, R2. Dem Fachmann sind verschiedene in der Auswerte- und Steuereinheit 20 einsetzbare Auswerteverfahren zur Ermittlung des zurücklegten Weges der kodierten Stange 30 bekannt, so dass in der vorliegenden Beschreibung nicht im Detail darauf eingegangen wird.
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Ein Maß für die Qualität des Magnetkreises ist das sogenannte Abstandsgesetz, das die Modulationsamplitude des jeweiligen Prinzips bei verschiedenen magnetischen Abständen von Magnetanordnung 10 zur Kodierung 32 der Stange 30 darstellt.
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4 zeigt verschiedene Modulationsamplitude-Abstand-Kennlinien von Sensoranordnungen mit verschiedenen ferromagnetischen Strukturen. Hierbei bezeichnet K1 die Modulationsamplitude-Abstand-Kennlinie einer Sensoranordnung mit einer Magnetanordnung, welche eine magnetisch homogene Scheibe umfasst. K2 bezeichnet die Modulationsamplitude-Abstand-Kennlinie einer Sensoranordnung mit einer Magnetanordnung, welche gleich ausgerichtete Einzelmagnete aufweist. KE bezeichnet die Modulationsamplitude-Abstand-Kennlinie der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 mit der Magnetanordnung 10, welche zwei über das Joch 16 in Reihe geschaltete Einzelmagnete 12, 14 umfasst. Wie aus 4 ersichtlich ist, ist die Magnetanordnung mit der resultierenden Kennlinie K2 nahezu so effektiv wie die erfindungsgemäße Magnetanordnung mit der resultierenden Kennlinie KE, jedoch wird diese Bauform nicht mehr hergestellt und kann daher auch nicht mehr verwendet werden.
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Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, zeigt die erfindungsgemäße Ausführungsform der Sensoranordnung bei großen Luftspalten von allen betrachteten Prinzipien noch die größte Modulationsamplitude und scheint somit für große Luftspalte am besten geeignet zu sein. Es wurde per Simulation nachgewiesen, dass die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 bei einem magnetischen Luftspalt mit einer Breite D1 von 5 mm trotz definierter Störung auf der Stange 30 noch stetige auswertbare Ausgangssignale liefern kann.
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Bei einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform der Sensoreinheit ist die Magnetanordnung 10 als Mehrpol mit mindestens zwei magnetisch in Reihe geschaltete Einzelmagneten 12, 14 ausgeführt, welche direkt nebeneinander angeordnet sind. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für kleine Kodeabstände K1, wobei bei einer kleinen Breite D1 des Luftspaltes in vorteilhafter Weise zusätzlich auf das Joch verzichtet werden kann.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen internen magnetischen Aufbau dar, welcher an der Einbauposition der eingesetzten integrierten Schaltkreise bzw. Magnetflusssensoren ein vergleichsweise starkes Magnetfeld bereitstellt, welches erforderlich ist, um Störungen durch remanente Felder in der Stange weniger stark auf das Funktionssignal durchschlagen zu lassen. Der Kern der Erfindung ist der besondere Aufbau des Magnetkreises. Es wurde besonders darauf geachtet, dass große Luftspalte, welche für den Magnetkreis jeweils ungünstige Widerstände darstellen, insgesamt reduziert wurden. Durch die Reihenschaltung der zwei Stützmagnete und das neu eingeführte Joch kann bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Luftweg der Magnetfeldlinien stark verkürzt werden, so dass an der Einbauposition der Magnetflusssensoren trotz eines Luftspaltes mit einer größeren Breite Flussdichtewerte im Bereich von ungefähr 170 mT erreicht werden können.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können beispielsweise für die Wegmessung bei hydraulischen Zylindern mit einer Kolbenstange verwendet werden, die beispielsweise im Offshore-, Bagger-, Verladungsbereich usw. eingesetzt werden.
