DE102012005344B4 - Berührungsloser weggeber nach dem plcd-prinzip - Google Patents

Abstract

Berührungsloser Weggeber zum Erfassen der Position eines beweglichen Objektes, wobei der Weggeber umfasst: einen Messtransformator (100) mit einem langgestreckten ferromagnetischen Messkern (106) und einer ersten, langgestreckten Wicklung (108), welche auf den Messkern (106) gewickelt ist, mit einer zweiten, geteilten Wicklung (110), die in einem Endbereich des Messkerns (106) über die erste Wicklung (108) gewickelt ist, sowie mit einem Ansteuermagneten (104), welcher längs eines Verfahrwegs entlang einer Längsachse des Messkerns (106) beweglich ist, einen Rückschlusskern (114) zum Führen mindestens eines Teils des magnetischen Feldes außerhalb des Messkerns (106), eine Ansteuer- und Auswerteschaltung (102) zum Ansteuern der Wicklungen (108, 110) und zum Ausgeben eines Messsignals in Abhängigkeit der Position des Ansteuermagneten (104), wobei der Weggeber weiterhin eine Magnetfeldverstärkungseinheit (116; 118) aufweist, die ein Magnetfeld (BG) erzeugt, das dem Magnetfeld des Ansteuermagneten (104) überlagert ist, wobei die Magnetfeldverstärkungseinheit mindestens einen Hilfspermanentmagneten (116) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Hilfspermanentmagnet (116) in dem durch den Rückschlusskern (114) geschlossenen magnetischen Kreis des Messtransformators, aber außerhalb des Messkerns (106) und außerhalb des Rückschlusskerns (114), angeordnet ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen berührungslosen Weggeber zum Erfassen der Position eines beweglichen Objektes, wobei der Weggeber einen Messtransformator mit einem langgestreckten ferromagnetischen Messkern und einer ersten langgestreckten Wicklung umfasst, die auf den Messkern gewickelt ist. In einem Endbereich des Messkerns ist eine zweite, geteilte Wicklung über die erste Wicklung gewickelt. Weiterhin ist ein Ansteuermagnet vorgesehen, der annähernd parallel zu der ersten langgestreckten Wicklung linear verfahrbar ist. Dieser Ansteuermagnet wird mit dem Objekt, dessen Position bestimmt werden soll, in geeigneter und an sich bekannter Weise verbunden.
• Mit dieser auch als Messtransformator bezeichneten Anordnung kann die aktuelle Linearposition eines mit dem Ansteuermagneten verbundenen Objekts auf dem durch die Länge des langgestreckten Kerns und der darauf befindlichen ersten langgestreckten Wicklung bestimmten Verfahrweg detektiert werden. Der Messkern eines solchen auch als PLCD-Wegsensor (Permanent Magnetic Linear Contactless Displacement Sensor) bezeichneten Gebers ist vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material. Der an den Sensor angenäherte Ansteuermagnet führt zu einer lokalen magnetischen Sättigung dieses Messkerns und damit zu einer virtuellen Teilung des Kerns. Belegt man die langgestreckte Primärspule mit einem geeigneten Wechselstrom, wird in den Auswertespulen der zweiten geteilten Wicklung eine von der Position des gesättigten Bereichs abhängige Spannung induziert. So kann die Länge der virtuellen Teile des Kerns und damit die Position des gesättigten Bereichs ermittelt werden. Ein Beispiel für einen solchen Messtransformator ist in der deutschen Patentschrift DE 4425903 C2 erläutert. Eine allgemeine physikalische Beschreibung dieses Messprinzips ist beispielsweise auch dem Artikel Erb O. et al.: „PLCD, a Novel Magnetic Displacement Sensor”, Sensors and Actuators A, 25–27 (1991) S. 272 bis 282, zu entnehmen.
• 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines PLCD-Wegsensors, wie er beispielsweise von der Firma Tyco Electronics AMP GmbH erhältlich ist und mit geeigneten Modifikationen gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann (siehe die Publikation „PLCD Wegsensoren für Industrie-Applikationen”, Tyco Electronics AMP GmbH, 2001, Internet: http://www.tycoelectronics.ch/_includes/pdf/ste/catalogs/1308198_0401_g_Sensoren-PLCD.pdf).
• Wie aus 1 ersichtlich, erfolgt die Versorgung des PLCD-Messtransformators 100 mit einem geeigneten Wechselstrom, und die Verarbeitung, Auswertung und Umwandlung der Signale durch ein Elektronikmodul 102, das entweder extern angeordnet oder im Sensor integriert sein kann. Das Elektronikmodul 102 gibt als Messsignal in Abhängigkeit von der Position x des Ansteuermagneten 104 eine Messkurve, wie im oberen Teil der 1 gezeigt, aus.
• Wie aus 1 ersichtlich, ist das von der elektronischen Schaltung 102 gelieferte Signal innerhalb des Messbereichs linear vom Ort x des Ansteuermagneten 104 abhängig. Grundsätzlich lässt sich das Prinzip des PLCD-Sensors auch auf Anordnungen übertragen, bei denen der Sensor nicht geradlinig, sondern gebogen ausgeführt wird. Ein solcher Sensor ist beispielsweise für die Messung von Schwenkantrieben geeignet. Obwohl daher nachfolgend alle Ausführungen auf einen linearen PLCD-Wegsensor gerichtet sind, ist für einen Fachmann aber klar, dass die erfindungsgemäßen Prinzipien sich auch auf einen rotativen PLCD-Sensor übertragen lassen, wie er z. B. in der Publikation „PLCD Wegsensoren für Industrie-Applikationen”, Tyco Electronics AMP GmbH, 2001, Internet: http://www.tycoelectronics.ch/_includes/pdf/ste/catalogs/1308198_0401_g_Sensoren-PLCD.pdf, dargestellt ist.
• Ein wesentlicher Aspekt des PLCD-Prinzips ist die mechanische Anbindungsfreiheit zwischen dem Ansteuermagneten und dem Sensorelement. Dadurch ist die Ansteuerung des Sensors auch durch Trennwände hindurch möglich, solange diese aus nichtmagnetisierbaren Materialien bestehen. Eine Anwendung, bei der die Vorteile dieser Möglichkeit deutlich werden, ist die Erfassung einer Kolbenposition in Hydraulik- oder Pneumatiksystemen. Bei diesen Anwendungen wird auf dem Kolben ein Dauermagnet befestigt, der den PLCD-Messtransformator durch die Zylinderwand hindurch ansteuert.
• Die erzielbaren Ansteuerabstände werden im Wesentlichen durch die Größe und Stärke des Ansteuermagneten bestimmt. Für einen Ansteuerabstand von ca. 15 mm muss bei Verwendung von Preiswertmaterialien wie Hartferrit bereits ein Magnetvolumen von ca. 1 cm³ verwendet werden. Grundsätzlich geht das ansteuernde Magnetfeld in erster Ordnung nicht in das Messsignal ein, solange die Feldstärke nur groß genug ist, um den Kern in dem Sättigungsbereich 112 vollständig zu sättigen. Prinzipbedingt gehen Montagetoleranzen und Schwankungen des Luftspalts zwischen Sensor und Magnet nur geringfügig oder gar nicht in die Kennlinie des Sensors ein, solange der Ansteuerabstand innerhalb eines gewissen Arbeitsbereiches um den optimalen Ansteuerabstand herum erhalten bleibt.
• Die DE 10 227 452 A1 betrifft ein induktives Wegmessgerät mit einem magnetischen Geber und einem, eine Oszillatorspule aufweisenden Wegaufnehmer. Die Oszillatorspule sitzt auf einem elektrisch nichtleitenden, vom magnetischen Geber bei Annäherung in die magnetische Sättigung bringbaren, sich im Wesentlichen über den gesamten Weg erstreckenden Spulenträger. Dem Spulenträger ist an einem oder beiden Enden ein Magnet zugeordnet, dessen Stärke geringer ist als die Stärke des magnetischen Gebers, wobei der Spulenträger ein Ferritstab ist oder einen Ferritstab trägt. Die Oszillatorspule gemäß dieser Druckschrift hat eine inhomogene Wicklungsdichte und besteht insbesondere aus mindestens zwei Teilspulen mit unterschiedlichen Wicklungsdichten.
• Die DE 23 25 752 C3 offenbart einen Weggeber mit einem beweglichen Permanentmagneten und einem geschlossenen Rahmenkern, der eine wechselstromgespeiste Primärwicklung und eine die elektrische Größe liefernde Sekundärwicklung auf verschiedenen Schenkeln trägt.
• Aus der EP 2 149 784 A1 ist ein weiteres magnetisches Wegesensorsystem mit einem rahmenförmigen Kern bekannt.
• Die DE 10 227 019 A1 bezieht sich auf eine lineare Wegmessvorrichtung, bei der die beiden Teilspulen einer langgestreckten Messspule mit Mittelabgriff einen Brückenlängszweig einer Wechselspannungsmessbrücke bilden. Der zweite Brückenlängszweig wird durch zwei weitere symmetrische Brückenglieder gebildet. Ein Permanentmagnet, dessen Position relativ zur Messspule erfasst werden soll und dessen Magnetfeld auf die Messspule einwirkt, ist längs der Messspule beweglich. Eine Auswerteeinrichtung verarbeitet die Brückenspannung zwischen den Mittelabgriffen der Brückenlängszweige als Positionssignal.
• Da die Preise für Magneten in der vergangenen Zeit drastisch gestiegen sind, stellt der Ansteuermagnet bei einem PLCD-Sensor einen wesentlichen Kostenfaktor dar. So waren seit Herbst 2010 die Preise für die Seltenen Erden in einem ständigen Aufwärtstrend, ab Mitte 2011 kam es zu einer Preisexplosion von bis zu 600%. Neodym ist eines von 17 Elementen der Seltenen Erden und wird beispielsweise zur Herstellung des Magnetwerkstoffs Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) benötigt.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen PLCD-Sensor mit kleinerem Ansteuermagneten zu ermöglichen, wobei der Sensor dennoch ein verlässliches und reproduzierbares Ausgangssignal liefert.
• Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dass durch eine gleichmäßige magnetische Vorspannung des Messkerns in Richtung der Sättigung der Abstand zur vollständigen Sättigung am virtuellen Teilpunkt des Messkerns reduziert und damit die Verwendung wesentlich kleinerer Ansteuermagneten ermöglicht wird.
• Damit vereint der erfindungsgemäße PLCD-Sensor die Vorteile einer kontinuierlichen berührungslosen linearen oder rotatorischen Wegmessung mit einer kostengünstigen Herstellbarkeit und geringen Einbaugröße.
• Die wichtigsten Applikationsfelder liegen auf dem Gebiet der Sonderfahrzeuge, wie Gabelstapler und Bagger, der Messung von Kolbenstellungen in Zylindern oder der Ventilstellung bei Hydraulik, Pneumatik und Elektroantrieben, im Maschinen- und Anlagenbau, bei der Füllstands- und Durchflussmessung, bei der Automatisierungstechnik, z. B. für Stellantriebe und Schwenkantriebe, in der Förder- und Lagertechnik, sowie in der Gebäude- und Sicherheitstechnik.
• Der erfindungsgemäße magnetische Gleichanteil, der den Messkern magnetisch vorspannt, kann in verschiedener Weise in den magnetischen Kreis eingebracht werden. Zum einen kann ein Hilfspermanentmagnet vorgesehen sein, der die erfindungsgemäße Magnetfeldverstärkung bewirkt. Diese Lösung hat den Vorteil, dass sie in vergleichsweise einfacher Weise ohne Änderung der Softwarekomponenten und des Elektronikmoduls realisierbar ist.
• Weiterhin kann der magnetische Gleichanteil aber auch durch Einspeisen eines Gleichstroms bzw. einer Gleichspannung zusätzlich zu der speisenden Wechselspannung aufgeprägt werden. Diese Lösung hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen, wiederum kostenverursachenden Permanentmagneten vorgesehen werden müssen. Das elektrisch erzeugte magnetische Gleichfeld kann dabei entweder mit einer der bereits vorhandenen Wicklungen erzeugt werden oder aber mit Hilfe einer zusätzlichen dritten Wicklung, die an dem Messtransformator oder einem optional vorhandenen Rückschlusskern vorgesehen ist. Ein solcher Rückschlusskern kann generell vorgesehen werden, um einen Teil des magnetischen Feldes außerhalb des Messkerns zu führen und dadurch die Verluste zu reduzieren.
• Sowohl für den mindestens einen Hilfspermanentmagneten wie auch für die dritte Wicklung gibt es verschiedene Möglichkeiten der mechanischen Anordnung. Prinzipiell können diese als Magnetfeldverstärkungseinheit wirkenden Komponenten überall in dem geschlossenen Magnetkreis des Sensors eingebaut werden, und alle Möglichkeiten der beschriebenen Magnetfeldverstärkung können beliebig kombiniert und in geeigneter Weise abgewandelt werden.
• Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der Tatsache, dass das eingeprägte zusätzliche Magnetfeld nicht nur betragsmäßig zur Sättigung Messkerns beiträgt, sondern auch vektoriell additiv mit dem Magnetfeld des Ansteuermagneten interagiert.
• Es lässt sich zeigen, dass durch eine Anordnung des Ansteuermagneten in einer Weise, dass die Polarisierungsachse des Ansteuermagneten nicht parallel zur Längsachse des Messkerns ausgerichtet wird, sondern einen Winkel mit dieser einschließt, der Messbereich des erfindungsgemäßen Sensors geometrisch verschoben ist. Durch einen derartigen Offset kann erreicht werden, dass der Weggeber eine Mittenposition anzeigt, während der Ansteuermagnet geometrisch außermittig im Bezug auf den Messkern angeordnet ist. Dieser vorbestimmte Versatz zwischen dem angezeigten und dem tatsächlichen x-Wert um einen bestimmten Offset-Wert lässt sich in vorteilhafter Weise für eine Kompensation nutzen, wenn aufgrund von Einbaubedingungen eine exakte Übereinstimmung zwischen der Mittenlage des Messtransformators und der Nulllage des Ansteuermagneten nicht realisiert werden kann.
• Insbesondere kann die Polarisierung des Ansteuermagneten so gerichtet sein, dass die Polarisierungsachse senkrecht zur Längsachse des Messkerns verläuft. Dabei ist es grundsätzlich unerheblich, ob die Nord-Süd-Ausrichtung so erfolgt, dass der Nordpol am messkernnahen oder am messkernfernen Ende des Ansteuermagneten angeordnet ist.
• Dadurch, dass der Messkern magnetisch vorgespannt ist, verschiebt sich der Arbeitspunkt der Sensoranordnung in einer Induktion/Feldstärke-Kennlinie in Richtung auf die vollständige Sättigung und bei entsprechend hohen eingespeisten Amplituden des Wechselsignals kann die positive Halbwelle dazu führen, dass der lineare Bereich bereits verlassen wird. Daher kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, lediglich die negative Halbwelle des Wechselsignals auszuwerten. Dabei bezeichnet die „negative” Halbwelle diejenige Halbwelle, welche dem aufgeprägten Magnetfluss der Magnetfeldverstärkungseinheit entgegenwirkt.
• Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Prinzipdarstellung eines PLCD-Sensors;
• 2 eine schematische Darstellung einer B/H-Kennlinie für einen PLCD-Sensor;
• 3 eine schematische Darstellung des Magnetfelds eines Ansteuermagneten über einem Messkern eines PLCD-Sensors;
• 4 eine schematische Darstellung der magnetischen Feldstärke in Abhängigkeit vom Ort im Messkern;
• 5 ein magnetisches Ersatzschaltbild eines PLCD-Sensors;
• 6 ein magnetisches Ersatzschaltbild eines Reverse-PLCD-Sensors;
• 7 ein schematisches elektrisches Ersatzschaltbild eines PLCD-Transformators;
• 8 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines PLCD-Sensors mit Hilfsmagneten;
• 9 eine zweite Ausführungsform eines PLCD-Sensors mit Hilfsmagneten;
• 10 eine dritte Ausführungsform eines PLCD-Sensors mit Hilfsmagneten;
• 11 eine vierte Ausführungsform eines PLCD-Sensors mit Hilfsmagneten;
• 12 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Speisespannung mit eingeprägtem Gleichanteil;
• 13 einen PLCD-Sensor mit elektrisch eingeprägtem magnetischem Gleichfeld;
• 14 einen weiteren PLCD-Sensor mit elektrisch eingeprägtem Gleichfeld;
• 15 schematische Darstellung der Kennlinie Induktion/Feldstärke und Erläuterung des Arbeitspunkts eines PLCD-Sensors;
• 16 eine schematische Darstellung eines PLCD-Sensors mit aufrecht gestelltem Ansteuermagnet;
• 17 eine schematische Darstellung des Verlaufs der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit von dem Ort x;
• 18 eine schematische Darstellung der Anordnung aus 16 mit um 180° gedrehtem Ansteuermagneten;
• 19 eine schematische Darstellung des Magnetfeldes eines ersten Magneten;
• 20 eine schematische Darstellung des Magnetfeldes eines zweiten Magneten;
• 21 Vergleich der Magnetfeldlinien für die Magneten aus 19 und 20;
• 22 eine schematische Darstellung eines eingebauten PLCD-Sensors mit verschobenem Nullpunkt.
• Mit Bezug auf die 1 und 2 soll nachfolgend zunächst das allgemeine Prinzip eines Weggebers 100 basierend auf dem Prinzip eines PLCD(Permanent Magnetic Linear Contactless Displacement)-Sensors näher erläutert werden.
• Wie bereits erwähnt, basiert der Messeffekt des in 1 gezeigten PLCD-Sensors 100 darauf, dass in dem Messkern 106 innerhalb der langgestreckten ersten Wicklung 108 in einem Messbereich zwischen x = 0 mm und x = x_max mm durch die Einwirkung des Ansteuermagneten 104 lokal ein Sättigungsbereich 112 erzeugt wird.
• Dabei versteht man, wie dies allgemein bekannt ist, unter einer Sättigungsmagnetisierung diejenige Magnetisierung, bei der in einem ferromagnetischen Stoff eine Erhöhung der äußeren magnetischen Feldstärke H keine Erhöhung der Magnetisierung des Stoffes mehr bewirkt. Dieser hat somit den konstanten materialspezifischen Sättigungswert erreicht. Trägt man bei einem Werkstoff die magnetische Flussdichte B gegenüber der von außen aufgebrachten magnetischen Feldstärke H in einer Kennlinie auf, ergibt sich die auch als Magnetisierungskurve gezeichnete Kennlinie, die in 2 dargestellt ist. Die Abflachung der Steigung kennzeichnet dabei anschaulich den Beginn der Sättigungsmagnetisierung.
• Um Verluste möglichst gering zu halten, kann weiterhin ein Rückschlusskern 114 vorgesehen sein, der den magnetischen Kreis des Messtransformators schließt. Der Ansteuermagnet 104 bewirkt in einem lokalen Bereich 112 des Messkerns die Sättigung. Dadurch wird der Transformator virtuell in zwei Einzeltransformatoren aufgetrennt. Dies ist schematisch in 3 gezeigt.
• Erfindungsgemäß wird nun in dem Arbeitsbereich zwischen 0 mm und x_max mm innerhalb des Messkerns 106 ein magnetisches Gleichfeld (bzw. ein magnetischer Gleichfluss) erzeugt, das permanent oder während des Betriebs des Sensors anliegt. Dieses Magnetfeld (bzw. dieser Magnetfluss) muss bezüglich des Feldes, welches durch den Ansteuerpermanentmagneten 104 in das Kernmaterial eingeprägt wird, gleichgerichtet sein.
• Generell gilt für den vorgegebenen Arbeitsbereich zwischen 0 mm und x_max mm der folgende Zusammenhang für die Einzeltransformatoren:

  

  
• Weiterhin gilt: Θ_pri1 ~ n_pri1 (5) Θ_pri2 ~ n_pri2; (6) Θ_IN = Θ_pri1 + Θ_pri2 (7)
• Dabei gelten die folgenden Bezeichnungen:

n_pri:

Gesamtanzahl der Windungen der Primärwicklung

n_pri1:

Anzahl der Windungen, welche in Transformator 1 wirksam sind

n_pri2:

Anzahl der Windungen, welche in Transformator 2 wirksam sind

ü₁:

Übersetzungsverhältnis Transformator 1

ü₂:

Übersetzungsverhältnis Transformator 2

Θ_pri1:

eingeprägte Magnetische Spannung in Transformator 1

• Die 5 und 6 zeigen magnetische Ersatzschaltbilder der Anordnung aus 1, die in jedem beliebigen Arbeitspunkt x gelten. Dabei bezeichnet Θ_PM die magnetische Spannung, die durch den Ansteuermagneten 104 erzeugt wird. Diese ist umgekehrt proportional abhängig vom Abstand zwischen dem Ansteuermagneten 104 und dem Messkern 106. Weiterhin bedeutet R_mpri1 der magnetische Widerstand der Primärwicklung von Transformator 1 und R_mpri2 den magnetischen Widerstand der Primärwicklung von Transformator 2. Entsprechend bezeichnet R_msec1 den magnetischen Widerstand der Sekundärwicklung des Transformators 1 bzw. R_msec2 den magnetischen Widerstand der Sekundärwicklung von Transformator 2. R_m-saturation bezeichnet den magnetischen Widerstand des gesättigten Kernbereichs 112 und R_{m_air} bezeichnet den magnetischen Widerstand des Luftspalts gegebenenfalls zwischen dem Messkern 106 und einem wahlweise vorhandenen Rückschlusskern 115. R_{m_air_to_PM} bezeichnet den magnetischen Widerstand des Luftspalts zwischen dem Ansteuermagneten 104 und dem Messkern 106.
• Der magnetische Widerstand des Kernmaterials an sich kann vernachlässigt werden, da er um Größenordnungen kleiner ist als die übrigen magnetischen Widerstände und nur der magnetische Widerstand des gesättigten Kernbereichs R_{m_saturation} muss berücksichtigt werden.
• Allgemein ist der magnetische Widerstand einer Zylinderspule definiert durch

  

  und der magnetische Widerstand im Luftspalt kann angegeben werden durch
• 
• Weiterhin gilt, dass R_{m_air}, R_{m_air_to_PM} und R_{m_saturation} sehr viel größer sind als R_{m_pri1}, R_{m_pri2}, R_{m_sek1} und R_{m_sek2} sind. Da sich μ = db / dH mit dem Arbeitspunkt ändert, gilt: μ_r = db / dH/μ₀ (10)
• Da

  

  ergibt sich, dass R_{m_saturation} dann ansteigt, wenn die Flussdichte bzw.
• Feldstärke an diesem Punkt erhöht wird (s. 2). Der magnetische Fluss Φ berechnet sich zu

  
• 5 zeigt speziell das magnetische Ersatzschaltbild eines PLCD-Sensors, bei dem in der Primärwicklung eine Wechselspannung oder ein Wechselstrom eingespeist wird, welcher im Messkern ein Wechselfeld bzw. einen Wechselfluss erzeugt. Es gelten die obigen Beziehungen (5)–(7), wobei Θ_pri1 die eingeprägte magnetische Spannung im Transformator 1 bezeichnet und Θ_pri2 die eingeprägte magnetische Spannung im Transformator 2.
• Analog zeigt 6 das magnetische Ersatzschaltbild eines sogenannten „Reverse PLCD-Sensors”, bei dem in der zweiten Wicklung 110 eine Wechselspannung oder ein Wechselstrom eingespeist wird, wodurch in dem Messkern 106 wiederum ein Wechselfeld bzw. ein Wechselfluss erzeugt wird. Dabei bedeutet Θ_sec1 die eingeprägte magnetische Spannung in Transformator 1 und Θ_sec2 die eingeprägte magnetische Spannung in Transformator 2. Es gilt: Θ_IN = Θ_sek1 + Θ_sek2 (12)
• Für eine elektrische Betrachtungsweise, wie sie in 7 schematisch dargestellt ist, benötigt man die nachfolgenden Abhängigkeiten zwischen Spannung und Flussdichte: U_eff = √2·π·B·A·f·n, (13) d. h. U ~ B·n.
• Für ein Gleichfeld gilt außerdem: B = μ_r·μ₀·H = μ_r·μ₀·I· n / l (14)
• Erfindungsgemäß wird nun das Kernmaterial des Messkerns 106 über einen dem Wechselfeld überlagertem Gleichanteil magnetisch vorgespannt. Dies kann zum einen durch das Einbringen eines Hilfspermanentmagneten in den magnetischen Kreis des Transformators erreicht werden. Verschiedene mögliche Anordnungen mit einem Hilfspermanentmagneten sollen nachfolgend mit Bezug auf die 8 bis 11 näher erläutert werden.
• Gemäß einer ersten Ausführungsform, die in 8 gezeigt ist, sind zwei Hilfspermanentmagneten 116 außerhalb des Messkerns 106 und des Rückschlusskerns 114 angeordnet. Bei der Polarisierung der Hilfsmagneten 116 muss darauf geachtet werden, dass diese gleichsinnig zu dem Feld des Ansteuermagneten 104 wirkt. Zum anderen muss außerdem sichergestellt werden, dass der erzeugte Gleichanteil nicht bereits ohne Einwirkung des Ansteuermagneten zu einer Sättigung des Kerns führt. Generell genügt selbstverständlich auch nur ein einzelner Hilfsmagnet 116, um die entsprechende magnetische Vorspannung zu erzeugen.
• Die in 8 gezeigte Anordnung außerhalb der beiden Kerne 106 und 114 hat den Vorteil, dass eine nachträgliche Ausrüstung bestehender Sensoranordnungen leicht möglich ist.
• Eine kompaktere Bauweise kann erreicht werden, wenn, wie in 9 gezeigt, die Hilfsmagneten 116 in den Messkern 106 und/oder den Rückschlusskern 114 eingebettet werden.
• 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei Hilfsmagnete 116 innerhalb der Anordnung Messkern 106 und Rückschlusskern 114 eingebaut sind, wobei die Hilfsmagnete den Messkern 106 und/oder den Rückschlusskern 114 auch unmittelbar berühren können. Hierzu kann, wie in 11 gezeigt, der Messkern 106 und/oder der Rückschlusskern 114 auch über die zweiten Wicklungen 110 hinaus entsprechend verlängert werden.
• Bei allen gezeigten Anordnungen gemäß 8 bis 11 wird die Gesamtsättigung des Messkerns 106 permanent soweit angehoben, dass ein wesentlich kleinerer Ansteuermagnet 104 genügt, um die benötigte virtuelle Teilung des Messtransformators 100 in zwei Transformatoren zu erreichen. Obwohl für diese magnetische Vorspannung zusätzliche Hilfsmagnete 116 benötigt werden, ist insgesamt jedoch die Kostenersparnis gegenüber der bekannten Lösung mit einem einzigen größeren Ansteuermagneten 104 signifikant.
• Weiterhin ist anzumerken, dass alle Ausführungsformen gemäß der 8 bis 11 auch untereinander beliebig kombiniert angewendet werden können.
• Zusätzlich zu der magnetischen Vorspannung mittels eines oder mehrerer Permanentmagneten 116 kann der erforderliche magnetische Gleichanteil auch teilweise auf elektrischem Wege in die Messanordnung eingeprägt werden. Betrachtet man 12, in welcher der zeitliche Verlauf einer Wechselspannung bzw. eines Wechselstroms mit zusätzlichem Gleichanteil gezeigt ist, zusammen mit der Beziehung, wonach das in einer Spule erzeugte B-Feld unmittelbar proportional zum Effektivwert der erzeugenden Spannung ist, wird klar, dass auch durch das Einspeisen eines zusätzlichen elektrischen Gleichanteils ein entsprechender magnetischer Offset erreicht werden kann. Für eine solche Überlagerung des Wechselanteils mit einem Gleichstrom-Offset bzw. einem Gleichspannungs-Offset muss eine entsprechende elektronische Schaltung implementiert werden, an welche die PLCD-Einheit angeschlossen wird. Die Schaltung kann so ausgelegt werden, dass der Gleichanteil direkt mit dem Wechselanteil überlagert wird. Dies kann z. B. mit Hilfe einer Operationsverstärkerschaltung oder einer Transistorverstärkerschaltung realisiert werden. Durch Einspeisen des Gleichanteils in die als Primärwicklung fungierende erste Wicklung 108 der 1 kann daher erfindungsgemäß eine entsprechende überlagerte magnetische Vorspannung erreicht werden. Diese Lösung stellt aparativ die einfachste Variante dar und kann bei entsprechender Auslegung der Ansteuerelektronik auch für bereits bestehende PLCD-Sensoreinheiten problemlos verwendet werden.
• Für einen Reverse-PLCD, dessen Ersatzschaltbild in 6 gezeigt ist, gilt entsprechend umgekehrt, dass die zusätzliche Offsetspannung in die zweiten Wicklungen eingespeist wird.
• Eine weitere Möglichkeit, einen magnetischen Gleichanteil in den Messkern 106 einzuprägen, besteht darin, eine dedizierte dritte Wicklung vorzusehen, die als Elektrohilfsmagnet wirkt und nachfolgend als Tertiärwicklung 118 bezeichnet wird. Die Tertiärwicklung 118 kann beispielsweise über den Messkern 106 gewickelt sein. Diese Ausführungsform ist in 13 dargestellt. Ein Gleichstromfluss I_G durch die dritte Spule 118 erzeugt das schematisch dargestellte magnetische Gleichfeld B_G, welches additiv dem Feld überlagert ist, das durch den Ansteuermagneten 104 verursacht wird.
• Alternativ oder zusätzlich zu der an dem Messkern 106 vorgesehenen Tertiärspule 118 kann eine solche Tertiärspule auch an dem Rückschlusskern 114 vorgesehen sein, wie dies in 14 dargestellt ist. In jedem Fall muss für das Aufprägen des Gleichstroms I_G durch die Tertiärspule eine entsprechende elektronische Schaltung implementiert werden, an welche die Tertiärspule 118 angeschlossen wird. Die Schaltung kann äußerst einfach ausgelegt werden, beispielsweise kann eine Spannung am Eingang der Tertiärspule 118 vorgegeben werden, wobei ein Vorwiderstand optional vorgesehen sein kann, oder der Strom kann mittels einer Stromquelle eingespeist werden.
• 15 zeigt den Arbeitspunkt in einer Kennlinie, in der die Induktion als Funktion der Feldstärke angegeben ist. Eine erste Möglichkeit für die Lage des Arbeitspunktes ist mit dem Bezugszeichen 120 angegeben. Hier liegt der Arbeitspunkt so, dass die maximale magnetische Feldstärke, welche in dem PLCD-Sensor auftritt, im Endbereich des linearen Bereichs der Kennlinie 122 liegt. Dabei bezeichnet die Schwelle 124 das Ende des linearen Bereichs. Die Sättigung des Kernmaterials wird durch die Grenze 126 symbolisiert.
• Es lässt sich feststellen, dass bei Feldstärken, die über den Bereich 124 hinausgehen, Nicht-Linearitäten auftreten, welche die Messgenauigkeit einschränken können. Wertet man nun gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung nurmehr die negative Halbwelle des eingespeisten Wechselsignals aus, kann der Arbeitspunkt des Transformators noch weiter in Richtung der Sättigung 126 verschoben werden, so dass der Nulldurchgang des Wechselsignals bis in den Endbereich des linearen Bereichs verschoben werden kann. Dies ist durch den zweiten Arbeitspunkt 128 symbolisiert.
• Die entsprechende Verschiebung des Arbeitspunktes geschieht, wie voranstehend beschrieben, durch die entsprechende Veränderung des Gleichfeldes B_G. Definitionsgemäß ist die negative Halbwelle diejenige Halbwelle, die dem aufgeprägten Fluss B_G entgegenwirkt. Wenn das eingespeiste Wechselsignal durch eine Sinusspannung bzw. einen Sinusstrom vorgegeben wird, ist bekannt, in welchem Betriebspunkt sich das System befindet. Mit Hilfe eines Mikrorechners, digitalen Signalprozessors und/oder Mikrocontrollers kann vorgegeben werden, nur die negativen Halbwellen der Messsignale der Sekundärspulen für die Berechnung des Sensorausgangssignals und damit eines Positionssignals zu verwenden.
• Voranstehend wurden Möglichkeiten aufgezeigt, wie ein magnetisches Gleichfeld eingeprägt werden kann, das dazu führt, dass der zur Erzeugung der Sättigung benötigte Ansteuermagnet 104 verkleinert werden kann. Je nach der speziellen Umsetzung, d. h. der Verwendung von Hilfsmagneten 116, dem Überlagern der eingespeisten Wechselspannung mit einem Gleichanteil, oder dem Einprägen eines Gleichanteils über eine dritte Spule 118, werden Zusatzkosten generiert. Die Kostenersparnis durch den miniaturisierten Ansteuermagneten 104 übertrifft diese Zusatzkosten jedoch signifikant.
• Das zusätzlich eingeprägte magnetische Gleichfeld B_G interagiert mit dem Messtransformator aber nicht nur in der Weise, dass die Sättigung des Messkerns 106 bei geringeren Ansteuermagnetfeldstärken erreicht ist, sondern es wird auch den Feldlinien des Ansteuermagneten vektoriell additiv überlagert. Dadurch wird die maximale Feldstärke auf der x-Achse so verschoben, dass ein Offset zwischen dem gemessenen Mittelpunkt des Magneten und einer tatsächlichen Mittenposition erzeugt werden kann für den Fall, dass der Magnet 104 nicht mehr so ausgerichtet ist, dass eine Polarisationsachse entlang der Kernachse verläuft, sondern einen Winkel mit dieser einschließt.
• Insbesondere kann der Ansteuermagnet 104 quer zu der Längsachse des Messkerns 106 ausgerichtet werden, wie dies in 16 dargestellt ist. In 16 wird die Variante aus 13 verwendet, bei der eine Tertiärwicklung 118 an dem Messkern 106 vorgesehen ist, um das entsprechende Gleichfeld B_G zu erzeugen. Selbstverständlich können auch alle übrigen Möglichkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um einen entsprechenden Gleichanteil B_G zu erzeugen.
• Wie aus der Zusammenschau mit 17 erkennbar, resultiert aus der Superposition des Magnetfelds des Ansteuermagneten 104 und des Gleichfeldes B_G eine Differenz x_offset zwischen der tatsächlichen Position 130 des Ansteuermagneten und der angezeigten Position 132 des Magneten 104.
• Dies ist ebenfalls gültig für den Fall, dass die Nord-Süd-Richtung des Ansteuermagneten 104 umgekehrt ist, wie dies in 18 gezeigt ist. Analog zu der Anordnung aus 16 und 17 ist hier die angezeigte Position 132 geometrisch in Richtung höherer x-Werte verschoben.
• Die Art der Verschiebung, die durch Superposition der beiden wirkenden Magnetfelder des Magneten 104 und des Gleichfeldes B_G zustande kommt, hängt selbstverständlich vom Verlauf der Feldlinien und damit von der Form des Ansteuermagneten 104 ab. Die 19 und 20 zeigen zwei verschiedene Ansteuermagneten 104, wobei beide dieselbe Ausdehnung in x-Richtung haben. Zum unmittelbaren Vergleich sind beide Magnete in 21 übereinander gezeichnet. Die Lage des Messkerns 106 sowie des eingeprägten Gleichflusses B_G ist schematisch an der linken Seite der 21 angedeutet.
• Es konnte gezeigt werden, dass auf diese Art und Weise ein Versatz des Messbereichs um bis zu 21 mm möglich ist. Der Vorteil dieser speziellen Messbereichsverschiebung wird aus der Darstellung der 22 deutlich. Hier ist ein PLCD-Sensor 100 in einem Gehäuse oder einem sonstigen Anwendungsteil 134 so eingebaut, dass der gewünschte Messbereich 136 nicht mit der eigentlichen physikalischen Lage des Sensors 100 übereinstimmt. Vielmehr liegt ein geometrischer Versatz x_offset vor, der durch die erfindungsgemäßen Anordnungen gemäß 16 und 18 magnetisch kompensiert werden kann. Somit kann, basierend auf einer magnetischen Vorspannung durch Vorsehen eines im Optimalfall um 90° rotierten Ansteuermagneten 104, ein verschobener Messbereich erzeugt werden, der in der Lage ist, bestimmte nachteilige Einbausituationen auf einfache Weise zu kompensieren. Bezugszeichenliste:

  Bezugsziffer	Beschreibung
  100	Messtransformator
  102	Elektronikmodul
  104	Ansteuermagnet
  106	Messkern
  108	erste Wicklung
  110	zweite Wicklung
  112	gesättigter Bereich
  114	Rückschlusskern
  116	Hilfspermanentmagnet
  118	Tertiärwicklung
  120	erster Arbeitspunkt
  122	Kennlinie
  124	Ende des linearen Bereichs
  126	Sättigung des Kernmaterials
  128	zweiter Arbeitspunkt
  130	tatsächliche Position des Magneten 104
  132	angezeigte Position des Magneten 104
  134	Gehäuse
  136	gewünschter Messbereich

Claims (10)

1. Berührungsloser Weggeber zum Erfassen der Position eines beweglichen Objektes, wobei der Weggeber umfasst: einen Messtransformator (100) mit einem langgestreckten ferromagnetischen Messkern (106) und einer ersten, langgestreckten Wicklung (108), welche auf den Messkern (106) gewickelt ist, mit einer zweiten, geteilten Wicklung (110), die in einem Endbereich des Messkerns (106) über die erste Wicklung (108) gewickelt ist, sowie mit einem Ansteuermagneten (104), welcher längs eines Verfahrwegs entlang einer Längsachse des Messkerns (106) beweglich ist, einen Rückschlusskern (114) zum Führen mindestens eines Teils des magnetischen Feldes außerhalb des Messkerns (106), eine Ansteuer- und Auswerteschaltung (102) zum Ansteuern der Wicklungen (108, 110) und zum Ausgeben eines Messsignals in Abhängigkeit der Position des Ansteuermagneten (104), wobei der Weggeber weiterhin eine Magnetfeldverstärkungseinheit (116; 118) aufweist, die ein Magnetfeld (B_G) erzeugt, das dem Magnetfeld des Ansteuermagneten (104) überlagert ist, wobei die Magnetfeldverstärkungseinheit mindestens einen Hilfspermanentmagneten (116) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Hilfspermanentmagnet (116) in dem durch den Rückschlusskern (114) geschlossenen magnetischen Kreis des Messtransformators, aber außerhalb des Messkerns (106) und außerhalb des Rückschlusskerns (114), angeordnet ist.
2. Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 1, wobei mindestens ein weiterer Hilfspermanentmagnet (116) in dem Messkern (106) eingebettet ist.
3. Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein weiterer Hilfspermanentmagnet (116) in dem Rückschlusskern (114) eingebettet ist.
4. Berührungsloser Weggeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetfeldverstärkungseinheit eine Gleichstromquelle aufweist, um mittels einer Wicklung teilweise das Magnetfeld (B_G) zu erzeugen, das dem Magnetfeld des Ansteuermagneten (104) überlagert ist.
5. Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 4, wobei die Gleichstromquelle mit der ersten (108) oder der zweiten (110) Wicklung verbunden ist, um teilweise das überlagerte Magnetfeld (B_G) zu erzeugen.
6. Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 4, wobei die Gleichstromquelle mit einer zusätzlichen dritten Wicklung (118) verbunden ist, um teilweise das überlagerte Magnetfeld (B_G) zu erzeugen.
7. Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 6, wobei die dritte Wicklung (118) auf dem Messkern (106) und/oder dem Rückschlusskern (114) angeordnet ist.
8. Berührungsloser Weggeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ansteuermagnet (104) so ausgerichtet ist, dass seine Polarisierungsachse einen Winkel von mehr als 0° mit der Längsachse des Messkerns (106) einschließt.
9. Berührungsloser Weggeber nach Anspruch 8, wobei die Polarisierung des Ansteuermagneten (104) so gerichtet ist, dass die Polarisationsachse senkrecht zu der Längsachse des Messkerns verläuft.
10. Berührungsloser Weggeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuer- und Auswerteschaltung (102) betrieben werden kann, nur die negative Halbwelle der Messsignale des Messtransformators (100) auszuwerten.

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