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Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft den Gebermagnet für einen magnetfeld-sensitiven Sensor, beispielsweise einen Positionssensor, insbesondere in einem Zylinder oder einem Flüssigkeitsbehälter, insbesondere in einem Arbeits-Zylinder.
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II. Technischer Hintergrund
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Magnetfeld-sensitive Sensoren reagieren auf das Magnetfeld eines beweglich gegenüber dem eigentlichen Sensor angeordneten Gebermagneten, der in aller Regel ein Permanent-Magnet ist oder einen Permanent-Magneten enthält, in Ausnahmefällen jedoch auch ein Elektromagnet sein könnte.
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Dabei wird nur ein Teil des vom Gebermagneten erzeugten Magnetfeldes, nämlich nur das in Nutzrichtung auf die Sensoranordnung hin abgegebene magnetische Nutzfeld, detektiert, während das in alle anderen Richtungen - die Streurichtungen - abgegebene magnetische Streufeld des Gebermagneten nicht benötigt wird, sondern im Gegenteil, je nach Orientierung und Reichweite, sich sogar negativ auf das Messergebnis auswirken kann.
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Bei Linearsensoren wird die Position oder Bewegung eines Gebermagneten in der linearen Richtung, bei Drehwinkelgebern in Umfangsrichtung, relativ zu einer Bezugsposition berührungslos bestimmt.
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Bei einem solchen Positionssensor bewirkt der Gebermagnet, welcher z. B. an einem beweglichen Maschinenelement befestigt sein kann, die Entstehung einer magnetoelastischen Dichtewelle (MEDW), welche sich in einem im Sensor befindlichen Wellenleiter, z. B. einem Draht, ausbreitet und an einer davon entfernten Detektions-Position durch eine Sensoranordnung nachgewiesen, wie dies beispielsweise bei magnetostriktiven Positionssensoren der Fall ist.
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Das Magnetfeld kann beispielsweise direkt durch einen oder mehrere Hall-Sensoren oder XMR-Sensoren bestimmt werden, oder aber indirekt, beispielsweise durch die Sättigung von Magnetkernen (Permanent-magnetic Linear Contactless Displacement Sensor - PLCD).
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Als Messgröße zur Bestimmung der Position dient der zeitl. Abstand zwischen der Entstehung der MEDW und deren Detektion an einer davon entfernten Detektionsposition des Wellenleiters.
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Die genaue Funktionsweise eines solchen Positionssensors ist hinlänglich bekannt, auf eine detaillierte Beschreibung kann hier daher verzichtet werden.
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Spezifisch für alle durch Magnete, insbesondere Permanentmagnete betätigten Sensoren und von besonderem Interesse für die vorliegende Erfindung ist, dass die Sensorcharakteristik stark durch die Art des Magnetfeldes des Gebermagneten (= Positionsmagnet) bestimmt wird, d.h. nicht nur durch die maximale Feldstärke und primäre Orientierung des Magnetfeldes, sondern auch durch dessen örtliche Form und Ausbreitung.
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So kann bei einem Positionsmagnet mit hoher Feldstärke beispielsweise der Abstand und oder die magnetische Abschirmung zwischen Positionsmagnet und Sensor größer sein, als bei einem Magneten mit geringerer Feldstärke.
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Andererseits kann ein Positions-Magnet, dessen Feldstärke örtlich stark begrenzt ist, zu einer besseren örtlichen Auflösung des Sensors führen.
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Je nach spezieller Auslegung des Positionssensors können Magnete verwendet werden, deren magnetische Orientierung parallel zur Messrichtung des Sensors ausgerichtet sind (sog. axiale Orientierung), oder beispielsweise auch senkrecht zur Achse des Sensors (radiale Orientierung).
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Zur Verbesserung der Charakteristik von Positionsmagneten für magnetische Positionssensoren wurden zahlreiche Vorschläge gemacht.
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In der
US 5 514 961 A wird beispielsweise vorgeschlagen, für einen stabförmigen Sensor einen axial orientierten, den Sensorstab umgebenden, Ringmagnet zu verwenden, an dessen einer Stirnseite ein Stahlring angebracht wird.
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Dieser Stahlring besteht aus einfachem magnetisierbaren Stahl, welcher als Flussleiter die magnetischen Flusslinien an einem Ende des Magnetrings führt.
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Die magnetischen Feldlinien treffen an dieser Stelle konzentriert und unter einem steileren Winkel auf den Sensorstab und führen zu einem stärkeren und schärferen Magnetpuls, welcher zu einer besseren Funktion des Sensors führt.
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Der Nachteil eines Axialmagneten liegt jedoch darin, dass die Ausbreitung des Magnetfeldes nicht unabhängig von der Einbaulage des Magneten ist und somit die Eigenschaften des Sensors davon abhängen, wie der Positionsmagnet orientiert ist. Somit ist der Positionsmagnet nicht universell einsetzbar.
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Ein weiterer Nachteil ist, dass die magnetische Feldstärke eines Axialmagneten aufgrund seiner Orientierung einen hohen Anteil an magnetischen Flusslinien parallel zum Sensorstab aufweist, welches zu einer starken Fernwirkung führt, wenn der Magnet falsch orientiert wurde.
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Eine solche Fernwirkung des Positionsmagneten kann beispielsweise dann die Sensoreigenschaften nachteilig beeinflussen, wenn sich der Positionsmagnet nahe der Detektionsstelle des Wellenleiters befindet.
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Ein anderer Vorschlag ergeht in
US 6 271 660 B1 , wo vorgeschlagen wird, durch eine spezielle Anordnung das Nutzsignal des Magneten zu erhöhen.
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Dort wird ein Positionsmagnet verwendet, dessen magnetische Orientierung auf den Positionssensor hin gerichtet ist (radiale Orientierung) und kombinieren diesen Magneten mit zwei weiteren Magneten, welche in die gleiche Richtung (ebenfalls radial), parallel zum ersten Magneten, angeordnet sind, aber eine gegenläufige Orientierung aufweisen, so dass der Nord-Pol des einen Magneten neben den Süd-Pol der anderen Magnete zu liegen kommt (gegenpolige Anordnung).
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Durch diese Anordnung gelingt es, das Sensorsignal der Einzelmagnete in einem magnetostriktiven Sensor konstruktiv so zu überlagern, dass die Extrema des Signals verstärkt, und somit die Flankensteilheit des Sensorsignals erhöht wird. Eine gezielte Überlagerung gegenläufiger Magnetfelder erfolgt dabei jedoch nicht.
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Dies ermöglicht einen größeren Abstand zwischen Magnet und Sensor. Allerdings bewirkt eine solche Anordnung eine größere Breite des Magneten, da für die optimale Überlagerung der einzelnen Pulse deren Breite nahezu identisch sein sollte.
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Der Abstand der Einzelmagnete wird durch die Laufzeit der MEDW im Wellenleiter bestimmt, was jeweils eine Anpassung an den konkreten Anwendungsfall erfordert.
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Zudem ist zwischen den Einzelmagneten ein unmagnetischer Abstand vorzusehen, da sich andernfalls die gegenpoligen Magnete magnetisch „kurzschließen“ würden und eine Reduktion der verfügbaren Feldstärke die Folge wäre.
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Darüber hinaus wurde der Effekt der einseitigen Verstärkung der Feldstärke eingesetzt, erstmals durch J.C. Mallinson (J.C. Mallinson, One-Sided Fluxes A Magnetic Curiosity, JEEE Transactions on Magnets, 9, Seite 678-682, 1973).
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Bekannt wurde die Kombination von Magneten mit jeweils um 90° versetzt zueinander orientierter Magnetisierung, auch als Halbach-Array bekannt, und wurde zur Führung von Partikelstrahlen eingesetzt (K Halbach, Nuclear Instruments and Methods, 169, 1, 1980).
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Später wurden Hallbach-Arrays insbesondere zur Erzeugung starker Magnetfelder genutzt.
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Auch die Verwendung von Magnet-Anordnungen in Zylinderform oder als Kugel ist bekannt, um im Zentrum des Zylinders bzw. der Kugel deutlich erhöhte Feldstärken zu erzeugen.
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Gebermagnete in Form von verschiedenen Magnet-Zusammenstellungen sind auch aus der
DE 10 2010 010 388 A1 bekannt.
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Typische Anwendungen von magnetfeldempfindlichen Positionssensoren sind die axiale Positionsbestimmung eines Kolbens in einem Arbeits-Zylinder, beispielsweise einem Hydraulikzylinder, oder die vertikale Positionsbestimmung eines Schwimmers in einem Tank für eine Flüssigkeit zur Bestimmung des Füllstandes.
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Dort besteht das Problem, dass die Elektrik der bisher ebenfalls im Innern, also in der Flüssigkeit, eingebauten, Sensoranordnung durch eindringende Flüssigkeit defekt werden kann, und für eine Kontrolle oder einen Austausch der Sensoranordnung, also des Sensorstabes, die umgebende Vorrichtung, z.B. der Hydraulikzylinder, vollständig zerlegt werden muss, was regelmäßig einen langen Arbeitsausfall der betreffenden Maschine nach sich zieht.
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Ferner ist aus der
DE 44 12 163 A1 eine Vorrichtung zum Messen des Füllstands eines flüssigen Mediums in einem unter Druck setzbaren Raum bekannt. Ein in dem Medium befindlicher Schwimmer bewegt sich mit dessen Füllstand mit, sodass zwei an dem Schwimmer befestigte Permanentmagnete, deren Nordpole einander zugekehrt sind, mit Magnetdipolen versehene Anzeigeelemente dem Füllstand entsprechend schalten. Die Anzeigeelemente befinden sich parallel zu dem Schwimmer und außerhalb des flüssigen Mediums.
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Des Weiteren ist ein Positionserkennungssystem zur Anzeige eines Flüssigkeitsstandes aus der
US 7 439 733 B2 bekannt, bei welchem sich ein Kolben in einer Führung entsprechend eines Flüssigkeitsstands eines Behälters, welcher mit der Führung in Fluidkommunikation steht, bewegt. An dem Kolben ist ein mit einer magnetischen Hartfolie überzogener Kolbenstab befestigt. Mittels einer unterschiedlichen Polarisierung von Bereichen der magnetischen Hartfolie, beispielsweise einer abwechselnden Polarisierung, und einem nahe der Hartfolie angebrachten Sensor kann der Flüssigkeitsstand in dem Behälter ermittelt werden.
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III. Darstellung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, einen Positionssensor und eine Mess-Anordnung für die beschriebenen Anwendungen zu schaffen, die die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 7 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hinsichtlich des Positionssensors alleine wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der als Gebermagnet benutzte Magnetverbund mehrere sich - in Messrichtung oder auch quer dazu, insbesondere in Umfangsrichtung zur Messrichtung - aneinander anschließende einzelne Verbund-Magnete oder einen einstückigen Verbundmagneten mit mehreren Verbund-Abschnitten aufweist, deren Polrichtung unterschiedlich ist und die so nah aneinander angeordnet sind, dass sich ihre Magnetfelder gegenseitig beeinflussen.
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radiale Orientierung:
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführung sind die Verbund-Abschnitte in Messrichtung, der axialen Richtung des Magnetverbundes, hintereinander angeordnet, und die Polrichtungen betrachtet in Messrichtung aller Verbund-Magnete des Magnetverbundes radial nach außen gerichtet, insbesondere punktsymmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch, zur in axialer Richtung betrachteten Mitte der Verbund-Magnete ausgerichtet.
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Dadurch ergibt sich ein resultierendes Magnetfeld, welches in mehrere oder gar alle radialen Richtungen gleich ist, sodass es unerheblich ist, auf welcher Seite, also in welche radiale Richtung beabstandet, die Sensoranordnung angeordnet ist.
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Dadurch ist der Magnetverbund sehr universell einsetzbar, und erleichtert vor allem die spätere Montage und Ausrichtung von Sensoranordnung und Magnetverbund zueinander erheblich.
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Durch die gegenseitig sich beeinflussenden Magnetfelder dieser mehreren Verbund-Magnete oder Verbund-Abschnitte werden gegenseitige Beeinflussungen auf eine solche Art und Weise durch geschickte Anordnung der Polrichtungen der Verbund-Magnete oder Verbund-Abschnitte erreicht, dass die Feldstärke des Magnetverbundes in der gewünschten Nutzrichtung, also radial nach außen, erhöht wird. Vorzugsweise sollte sich dadurch auch das Streufeld in die nicht genutzten anderen Streurichtungen verringern.
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Der Magnetverbund besteht aus mindestens drei, insbesondere nur drei, Verbund-Magneten oder Verbund-Abschnitten, von denen der mittlere eine magnetische Polrichtung besitzt, die von seinem Zentrum radial nach außen bezüglich der Messrichtung verläuft. Stirnseitig, also an den axialen stirnseitigen Enden, dieses mittleren Verbund-Magneten oder Verbund-Abschnittes ist jeweils ein weiterer Verbund-Magnet oder Verbund-Abschnitt angeordnet, dessen Polrichtung in axialer Richtung verläuft oder höchstens in einem Winkel von maximal 45 Grad zur axialen Richtung, und wobei die Pohlrichtungen der beiden äußeren Verbund-Magnete oder Verbund-Abschnitte gegeneinander gerichtet sind.
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Durch diese Anordnung kann zum einen ein in axialer Richtung sehr kurzer Magnetverbund hergestellt werden, was die Unterbringung in einem beweglichen Bauteil sehr erleichtert.
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Vor allem aber wird durch diese Anordnung der Polrichtungen ein optimales Nutzfeld erreicht, indem die vom mittleren Verbund-Magnet oder Verbund-Abschnitt aus nach außen abstrebenden magnetischen Feldlinien durch die axial dagegen gerichteten Feldlinien der beiden äußeren Verbund-Magnete oder Verbund-Abschnitte komprimiert und dadurch in ihrem Verlauf nach außen gegeneinander angenähert werden, sodass sich von der Mitte des mittleren Verbund-Magneten oder Verbund-Abschnittes radial nach außen weisend, und zwar vorzugsweise in alle radiale Richtungen, ein sehr starkes Nutzfeld ergibt.
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Geschnitten in Messrichtung ergibt sich dadurch ein toroidförmiges Magnetfeld, welches aber - vor allem wenn die stirnseitigen äußeren Verbund-Magnete oder Verbund-Abschnitte mit ihrer Polrichtung leicht schräg nach außen gerichtet sind, was vor allem bei ringförmigen Magneten oder Abschnitten möglich ist - radial weit nach außen reicht.
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Vorzugsweise besitzen in axialer Richtung betrachtet die drei Verbund-Magnete eine runde Außenkontur und vorzugsweise zusätzlich im Zentrum eine in axialer Richtung den Verbund-Magneten durchdringenden Durchbruch, der ebenfalls vorzugsweise rund ist, sodass sich eine ringförmige Gestalt der Verbund-Magnete ergibt.
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Vorzugsweise ist diese ringförmige Gestaltung bei allen drei Verbund-Magneten qualitativ und quantitativ die gleiche, und ebenso bei einem einstückigen, aus mehreren Verbund-Abschnitten bestehenden, Magnetverbund.
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Dadurch können die drei Verbund-Magnete sehr einfach auf einem sich zentral durch den Durchbruch hindurch erstreckenden Stab oder Rohr montiert werden, entweder mit einem Abstandshalter, insbesondere einer elastischem Zwischenlager, in axialer Richtung zwischen den einzelnen Verbund-Magneten oder auch mit direkt aneinander angrenzenden Verbund-Magneten.
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tangential orientiert:
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind in Messrichtung betrachtet die Verbund-Abschnitte oder Verbund-Magnete in Umfangsrichtung um die Messrichtung herum aufeinanderfolgend angeordnet, wobei in Umfangsrichtung wenigstens eine Gruppe aus Verbund-Abschnitten oder Verbund-Magneten vorhanden ist. Eine solche Gruppe kann einen beliebigen Umfangswinkel abdecken, und es können auch mehrere solche Gruppen sich in Umfangsrichtung aneinander anschließen.
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Bei jeder Gruppe ist die Polrichtung des mittleren Segmentes radial nach außen gerichtet, und die beiden benachbarten Segmente besitzen jeweils eine in Umfangsrichtung oder tangential zur Umfangsrichtung verlaufende, gegeneinander gerichtete Polrichtung.
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Ein starkes magnetisches Nutzfeld ist bei einem solchen Aufbau primär an der Umfangsstelle des mittleren Segmentes jeder Gruppe vorhanden, also je nach Gestaltung entlang des Umfanges nur an einer oder einigen wenigen Stellen des Umfanges.
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Unabhängig von der Orientierung kann die Befestigung der Verbund-Magnete aneinander formschlüssig, also beispielsweise durch axiales Sichern gegeneinander, gegeben sein oder auch durch einfaches Verkleben der Verbund-Magnete gegeneinander.
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Auf der Außenseite und/oder der Innenseite und/oder einer oder beiden Stirnseiten des Magnet-Verbundes kann ferner ein hülsen-förmiger, magnetisch isolierende Isolierkörper angeordnet sein, was insbesondere dann sinnvoll ist, wenn der Magnetverbund auch an einem weich-magnetischen Bauteil befestigt werden soll.
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Mit Hilfe eines solchen Positionssensors lässt sich sehr einfach eine Messanordnung erstellen, die einerseits den zuvor beschriebenen Positionssensor umfasst, andererseits eine Wandung aus weich-magnetischen Material zwischen der Sensoranordnung und der Gebermagnet-Anordnung des Positionssensors, wobei sich auf einer Seite dieser Wandung auch eine Flüssigkeit befinden darf, wobei der Magnetverbund dann auf der Flüssigkeitsseite der Wandung angeordnet ist, die Sensoranordnung jedoch auf der gegenüberliegenden, in der Regel trockenen, Seite der Wandung angeordnet sein kann, was deren Lebensdauer erhöht und deren Wartung und Austausch wesentlich erleichtert.
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Denn durch das stark konzentrierte, radial in alle Richtungen nach außen weisende Magnetfeld des Magnetverbundes kann auch die Wandung zwischen Geber-Magnetanordnung und Sensoranordnung vom Magnetfeld überwunden werden, selbst wenn diese aus weich-magnetischen Material, wie etwa Eisen oder Stahl, besteht, indem diese magnetisierbare Wandung zunächst magnetisch gesättigt wird und danach das Magnetfeld der Geber-magnetanordnung diese Wandung durchdringt und die Sensoranordnung dennoch erreicht.
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Ein einzelner Verbund-Magnet als Gebermagnet würde ein derart starkes Magnetfeld nicht aufbringen können oder zumindest hierfür größere Abmessungen benötigen und wesentlich teurer in der Anschaffung sein. Vor allem aber wäre dann die Messgenauigkeit geringer, denn selbst ein größerer und stärkerer Magnet besitzt dann nicht ein derart konzentriertes magnetisches Nutzfeld.
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Vorzugsweise werden dabei die zuvor beschriebenen ringförmigen Verbund-Magnete oder Verbund-Abschnitte verwendet, die entweder auf der Kolbenstange des Kolbens aufgefädelt werden können oder auf einem in axialer Richtung vom Kolben, vorzugsweise zentral, abragenden Fortsatz auf der der Kolbenstange gegenüberliegenden Seite des Kolbens, der nur zur Aufnahme und Befestigung des Magnetverbundes dient:
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Dadurch kann die Größe, also Länge, Durchmesser, Material, und/oder Querschnittsgestaltung (hohl oder massiv) dieses Fortsatzes frei gewählt werden nach den Voraussetzungen des darauf anzubringenden Magnetverbundes, da dieser Fortsatz keine so hohe Stabilität wie die Kolbenstange besitzen muss.
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Dabei kann dieser Fortsatz gleichzeitig als im Zentrum in den Verbund-Magneten angeordnetes Flussleitelement dienen, indem es aus einem weich-magnetischen Material besteht, und die ringförmigen Verbund-Magnete können mittels einer auf das freie Ende des Fortsatzes, welcher ein Außengewinde trägt, aufgeschraubte Mutter, die ebenfalls aus weichmagnetischen Material besteht, in axialer Richtung formschlüssig fixiert werden.
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Wenn auch der Anschlag, also beispielsweise die Unterseite des Kolbens, gegen den die Verbund-Magnete dadurch angenähert oder gar gedrückt werden, ebenfalls zumindest bereichsweise aus weich-magnetischen Material besteht, so dient dies ebenfalls als ein stirnseitiges zweites Flussleitelement.
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Der Außendurchmesser der ringförmigen Verbund-Magnete und gegebenenfalls auch eines oder beider der stirnseitigen Flussleitelemente ist dabei vorzugsweise geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Kolbens, um Reibung gegenüber der Zylinderwand und dadurch Kraftverlust zu vermeiden.
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Damit der Fortsatz zentrisch bleibt, kann entweder die am von dem Kolben abgewandten freien Ende des Fortsatzes aufgeschraubte Mutter einen umlaufenden Rand aus gleitfähigem Material besitzen oder es wird ein separater, gleitfähiger Führungsring aufgeschoben, der an der Innenseite der Zylinder-Wandung anliegt und damit den Fortsatz auf seiner ganzen Länge zentral hält und somit den gewünschten geringen Abstand zwischen ZylinderWandung und den Verbund-Magneten gewährleistet.
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Durch die Anordnung der Verbund-Magnete und damit des Magnetverbundes auf der der Kolbenstange gegenüberliegenden Seite wird zwar die Montage des Magnetverbundes drastisch erleichtert, andererseits bedingt dies eine größere Baulänge des umgebenden Zylinders, wenn der Kolben einen bestimmten Hub darin vollziehen soll.
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Um diese Zusatzlänge des Zylinders möglichst zu reduzieren, kann - da häufig aus Gründen einer ausreichenden Abdichtung der Kolben eine erhebliche axiale Länge besitzen muss - der Magnetverbund in einer ringförmigen, in axialer Richtung zur von der Kolbenstange abgewandten Seite hin offenen Tasche ganz oder zumindest teilweise untergebracht werden, um diese Zusatzlänge zu minimieren.
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Statt den Kolben über die gesamte Querschnittsfläche aus weichmagnetischem Material herzustellen, was ja die Funktion als Flussleitelement an einem stirnseitigen Ende des Magnetverbundes bewirkt, kann der radial äußere abdichtende Rand auch aus einem nicht magnetisierbaren Material hergestellt sein. Dadurch kann ein gewünschter Abstand in radialer Richtung zwischen dem als Flussleitelement wirkenden Fortsatz und der umgebenden Wandung erzielt werden.
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Die stabförmige Sensoranordnung wird auf der Außenseite der Wandung angeordnet, vorzugsweise mit Hilfe von zwei in axialer Richtung beabstandeten Halterungen, die in Umfangsrichtung um den Zylinder herum verdrehbar sind, sodass die Sensoranordnung an einer beliebigen Umfangsstelle des Zylinders positioniert werden kann, was abhängig von der Montagesituation des Zylinders an umgebenden Bauteilen einen großen Vorteil darstellt.
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Wenn zusätzlich auch noch die stabförmige Sensoranordnung die beiden Halter in axialer Richtung durchdringt und darin verschiebbar ist, und in einer bestimmten Axialposition fixierbar ist, beispielsweise durch eine Madenschraube, so kann hierdurch auf sehr einfache Art und Weise der Nullpunkt der Sensoranordnung eingestellt werden.
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Je nach innerem Aufbau der Sensoranordnung kann es auch sinnvoll sein, die stabförmige Sensoranordnung mit einem runden Außenquerschnitt zu versehen und in einer entsprechend runden Durchgangsöffnung der Halter drehen zu können, um auch hinsichtlich der Drehlage der stabförmigen Sensoranordnung den darin enthaltenen Wellenleiter optimal gegenüber der Gebermagnetanordnung vor dem Fixieren ausrichten zu können, zum Beispiel mittels der erwähnten Madenschraube.
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Bei der Anwendung als Füllstandssensor in einem Tank muss der Magnetverbund ebenfalls in vertikaler Richtung, der Bewegungsrichtung des Schwimmers, fest am Schwimmer befestigt sein.
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Eine Möglichkeit besteht darin, der Magnetverbund - unabhängig von der Gestalt des Schwimmers - an einer seiner Seiten zu befestigen, und da der Schwimmer ein Hohlkörper ist, wird sich der Schwimmer so ausrichten, dass der darin befestigte Magnetverbund den tiefsten Punkt darstellt, also den Schwimmer immer in einer bestimmten Lage halten, sodass für die vertikale Führung entweder ein Steigrohr oder eine einfache Schnur ausreichend ist.
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Um den Schwimmer möglichst nahe an der Wandung des Tanks zu halten, läuft der Schwimmer jedoch in der Regel in einer umgebenden Führung, sei es in einem Steigrohr oder in einer durch beabstandete Stäbe gebildeten vertikalen Führung, oder der Schwimmer ist vertikal beweglich geführt an einer feststehenden Führungsstange, an dem der Magnetverbund, sofern sie wieder eine Durchgangs Öffnung besitzt, leicht befestigt werden kann.
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Aus Gründen der vereinfachten Montage kann der Magnetverbund jedoch auch innerhalb des Schwimmers angeordnet sein, und ist dadurch nicht den Einflüssen der umgebenden Flüssigkeit ausgesetzt.
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Dies ist unabhängig davon, ob der Schwimmer und damit der Magnetverbund zentral von der Führungsstange durchdrungen wird, denn dann kann der gesamte Schwimmer mit dem darin befindlichen Magnetverbund der dann ringförmigen Magnete in einem dichten, hülsenförmigen Gehäuse untergebracht sein.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Schwimmer in der Aufsicht betrachtet so groß auszubilden, dass er die gesamte Querschnittsfläche des Tanks abdeckt.
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Dies ist jedoch nur bei einer unrunden Innenkontur des Tanks und damit Außenkontur des Schwimmers sinnvoll, denn nur dadurch kann das Drehen des Schwimmers um die Hochachse vermieden werden und der Magnetverbund an einer definierten Stelle am Außenumfang des Schwimmers fest angeordnet werden, sodass der Magnetverbund in der Aufsicht auf den Tank betrachtet, immer an der gleichen Stelle des Umfanges des Tanks positioniert ist.
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Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
- 1a, b: die Anwendung des Sensors in einem Arbeitszylinder,
- 2a - c: verschiedene Anbringungsvarianten im Längsschnitt gemäß der 1a - c,
- 3a, b: die Anwendung des Sensors als Füllstandssensor in einem Tank,
- 4a - c: Varianten des Magnetverbundes, und
- 5a, b: weitere Varianten des Magnetverbundes.
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Eine erste Bauform einer Arbeitszylinder-Einheit 50, die mit einem Positionssensor 20 erfindungsgemäß ausgestattet ist, zeigt die 1a aufgeschnitten in perspektivische Ansicht, die 1b teilweise aufgeschnitten in der Seitenansicht und die 1c betrachtet von der Seite der vorstehenden Kolbenstange 53 aus in der axialen Richtung 10, der Messrichtung des Positionssensors 20.
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Die Arbeitszylinder-Einheit 50 besteht aus der Wandung 51 des Zylinders, in der Regel einem Rohrstück, auf welches stirnseitig verschließend auf der einen Seite ein Kopfteil 59a und auf der anderen Seite ein Fußteil 59b dicht aufgesetzt ist, die an ihrem Außenumfang an einer Stelle jeweils den Anschluss zum Einbringen des Arbeitsmediums in den Zylinder 51 besitzen.
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Im Inneren des Zylinders 51, also auf der Flüssigkeitsseite 51a der Wandung 51, ist der Kolben 52 dicht an der Innenseite des Zylinders 51 anliegend in axialer Richtung 10 beweglich angeordnet, der auf seiner einen Stirnseite mit einer Kolbenstange 53 verbunden ist, die sich in axialer Richtung 10 durch das Kopfteil 59a nach außen erstreckt und dort in der Regel ein nicht dargestelltes, zu bewegendes Teil antreibt.
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Im Gegensatz zu dieser beschriebenen Grundform einer Arbeitszylinder-Einheit 50 besitzt im vorliegenden Fall der Kolben 52 zusätzlich auf der von der Kolbenstange 53 abgewandten Seite einen ebenfalls mittig sich in der axialen Richtung 10 abstrebenden Fortsatz 54, und im radialen Ringraum zwischen diesem Fortsatz 54 und der Innenseite der Wandung 51 befinden sich der Magnetverbund 4 bestehend aus drei ringförmigen, axial aneinander anschließenden Verbund-Magnete 5b, 5a, 5c, weiterhin auf der vom Kolben 52 abgewandten Seite des Magnetverbundes 4 ein ringförmiger Führungsring 56.
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Der Fortsatz 54 ragt axial über diesen Magnetverbund 4 hinaus und besitzt auf seinem Außenumfang ein Außengewinde 17, auf welches eine Mutter 55 aufgeschraubt ist, um den Magnetverbund 4 und den Führungsring 56 in axial fixer Position angepresst an der Unterseite des Kolbens 52 zu halten.
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Außerhalb der Arbeitszylinder-Einheit 50, also auf der trockenen Seite 51b der Arbeitszylinder-Einheit 50, befindet sich eine in diesem Fall etwa Stabförmige Sensoranordnung 1, die ebenfalls in der axialen Richtung 10, die auch die Messrichtung der Sensoranordnung ist, verläuft.
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In 1b ist auch zu erkennen, dass ggf. das Fußteil 59b des Zylinders eine zum Innenraum hin gerichtete zentrale Ausnehmung aufweist, die groß genug ist, um das freie Ende des Fortsatzes 54 aufzunehmen, was die Baulänge des gesamten Zylinders und insbesondere der Wandung 51 reduziert.
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Während in den 1a und 1b die Sensoranordnung 1 abstrakt, also unverbunden, neben der Arbeitszylinder-Einheit 50 dargestellt ist, mit der es jedoch sinnvollerweise verbunden sein sollte, ist in der Darstellung der 1c betrachtet in Längsrichtung 10 ein hierfür geeigneter Halter 19 beispielhaft dargestellt:
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Dieser besteht aus einem den Außenumfang der Wandung 51 dicht umgebenden, an einer Umfangsstelle geschlitzten, Ring, der an der Stelle der Schlitzung nach außen weisende Kröpfungen aufweist, um die beiden freien Enden in Umfangsrichtung zusammenspannen zu können und damit den ringförmigen Halter 19 auf dem Außenumfang des Zylinders 51 verklemmen zu können.
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An einer Umfangsstelle des ringförmigen Halters 19, vorzugsweise gegenüberliegend zu der geschlitzten Stelle, besitzt der ringförmige Halter 19 einen radial nach außen vorstehenden Vorsprung 19a, der eine axiale Durchgangsöffnung 18 besitzt, in die genau die Sensoranordnung 1 hineinpasst, und dort in einer gewünschten axialen Position mittels z.B. einer Klemmschraube 13, die sich durch die Wandung des Vorsprungs 19a hindurch erstreckt, fixiert werden kann.
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Wenn die Sensoranordnung 1 einen runden Außenumfang besitzt und die axiale Durchgangsöffnung 18 durch den Halter 19 ebenfalls einen entsprechend runden Innenumfang besitzt, kann die Sensoranordnung 1 vor dem Fixieren mittels der Klemmschraube 13 auch in die gewünschte Drehlage gebracht werden. Dies ist dann ist, wenn sich wie im Querschnitt in der 2c dargestellt, der im Zentrum der Sensoranordnung 1 dargestellte Wellenleiter-Draht nicht im Zentrum, sondern exzentrisch befindet, denn dann kann durch möglichst nahe Positionierung dieses Wellenleiter-Drahtes an der Arbeitszylinder-Einheit 50 das Messergebnis verbessert werden.
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Wie die Längsschnitt-Darstellung der 2a und 2b zeigt, sind vorzugsweise zwei solcher Halter 19 axial beabstandet vorhanden, um an mindestens zwei axial getrennten Stellen die Sensoranordnung 1 am Zylinder 51 zu fixieren.
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In 2a und 2b sind im Längsschnitt durch die Arbeitszylinder-Einheit im Bereich des Kolbens 52 mehrere Möglichkeiten der Ausbildung und Anordnung des Magnetverbundes 4 am Kolben 52 dargestellt:
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Bei den Lösungen in 2a ist an dem Kolben 52 der bereits erwähnte, der Kolbenstange 53 gegenüber liegende, Fortsatz 54 vorhanden, auf dessen Außenumfang ein Außengewinde 17 zum Aufschrauben einer Mutter 55 vorhanden ist.
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In der unteren Hälfte der 2a ist eine Anbringungs-Lösung dargestellt, wie sie den 1a bis c entspricht, und vorzugsweise Rotation symmetrisch um die axiale Richtung, die Mess-Richtung 10, ausgebildet ist:
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Dabei besitzt der Kolben 52 eine relativ große axiale Erstreckung, die notwendig ist, um darin axial beabstandet hintereinander mehrere Kolbenringe 16 anzuordnen.
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Axial anschließend an den Kolben 52 entlang des Fortsatzes 54 sind die drei ringförmigen Verbundmagnete 5a, b, c oder Verbund-Abschnitte 2a, b, c auf dem Fortsatz 54 angeordnet, der sich durch deren zentralen Durchbruch 7 hindurch erstreckt.
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In Richtung freies Ende der Kolbenstange 54 anschließend ist ein ebenfalls ringförmiger Führungsring 56 auf den Fortsatz 54 aufgeschoben. Mittels einer auf das Außengewinde 17 des Fortsatzes 54 aufgeschraubten Mutter 55 wird der Führungsring 56 und der aus den drei Verbundmagneten 5a, b, c bestehende Magnetverbund 4 axial gegen die von der Kolbenstange 53 abgewandte Rückseite des Kolbens 52 gedrückt und in dieser Position gesichert.
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In der Regel bestehen der Kolben 52 und der Fortsatz 54 aus dem gleichen, in der Regel weichmagnetischen, Material und sind vorzugsweise einstückig miteinander ausgebildet, und ebenso besteht die Mutter 55 aus einem weichmagnetischen Material, wie etwa Stahl.
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Dann wirken der Kolben 52, der Fortsatz 54 und auch die Mutter 55 als Flussleitkörper, um die Feldlinien in der bezweckten Weise zu bündeln. So dass ein starkes, gerichtetes magnetisches Nutzfeld, welches radial nach außen weist, erzielt wird.
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Wollte man die Wirkung der umgebenden Eisen-oder Stahl-Elemente als Flussleitkörper vermeiden, so müsste man zwischen diesen Materialien und dem Magnetverbund 4 ein magnetisch isolierendes Material anordnen, was es jedoch in der notwendigen geringen Schichtdicke per se nicht gibt, sondern nur durch eine Abfolge von Materialien mit unterschiedlichen Koerzitiv-Feldstärken ansatzweise erreicht werden könnte.
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Im vorliegenden Fall befindet sich dagegen eine elastische Zwischenlage 12 auf der radialen Innenseite und der dem Kolben 52 zugewandten Stirnseite des Magnetverbundes 4, während auf der gegenüberliegenden Stirnseite der Führungsring 56 aus einem entsprechenden Material bestehen kann, um beim axialen gegeneinanderpressen eine Beschädigung dieser Verbundmagnete zu vermeiden
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Dabei besitzen die Verbundmagnete 5a, b, c einen Außenumfang, der geringer ist als der Innendurchmesser des Zylinders 51, sodass die beiden Bewegen des Kolbens 52 nicht an dieser Innenseite schleifen.
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2a zeigt in der oberen Hälfte der Darstellung eine Lösung, bei der in der von der Kolbenstange 53 abgewandten Stirnseite des Kolbens 52 eine ringförmige Tasche 57 angeordnet ist, in die die ringförmigen Verbundmagnete 5a, b, c oder der einteilige Magnetverbund 4 mit seinen verschiedenen Verbund-Abschnitten hineinpassen.
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Der Führungsring 56 besitzt dagegen einen größeren Außenumfang, und gleitet an der Innenseite der Wandung 51, um den Fortsatz 54 auch in diesem Bereich zentral im Zylinder 51 zu führen, weshalb zumindest die Außenseite des Führungsringes 56, vorzugsweise der gesamte Führungsring 56, aus einem gut gleitfähigen Material, wie etwa Kunststoff, besteht. Der Führungsring besteht in der Regel aus einem nicht magnetisierbaren Material.
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Da somit der Magnetverbund 4 vorzugsweise axial vollständig in der Tasche 57 aufgenommen ist, ist im Gegensatz zu der Lösung in der unteren Hälfte der 2a kein Führungsring 56 notwendig, sondern die Mutter 55, kann direkt an den letzten Verbund-Magneten 5c angelegt werden, was die Gesamtlänge der Anordnung verringert.
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Wenn die Tasche 57 in axialer Richtung so tief ausgebildet ist, dass sie den gesamten Magnetverbund 4 aufnehmen kann, wird der Kolben 52 vorzugsweise natürlich über seine gesamte axiale Erstreckung seines Außenumfanges mit Kolbenringen 16 bestückt, was die Abdichtung des Kolbens 52 gegenüber der Wandung 51 verbessert.
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Der radiale Ringbereich des Kolbens 52, welcher den Magnetverbund 4 umgibt, kann wie der Kolben 52 aus dem gleichen Material bestehen und dann vorzugsweise einstückig mit diesem ausgebildet sein, und besteht dann jedoch in aller Regel aus einem weichmagnetischen Material, beispielsweise Stahl. Dies hat den Nachteil, dass dann die radiale Dicke dieses Bereiches des Kolbens 52 zusätzlich zur Wandung 51 von den Magnetfeldern des Magnetverbundes 4 durchdrungen werden muss.
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Will man dies vermeiden, kann man die Lösung gemäß 2b, dort obere Hälfte, wählen:
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Dort ist eine Anordnung dargestellt, die derjenigen in der oberen Hälfte der 2a entspricht, sich jedoch dadurch unterscheidet, dass radial die Magnetanordnung 4 außen umgebend eine Gleithülse 14 vorhanden ist zwischen den Verbundmagneten 5a, b, c und dem Innenumfang der Wandung 51, die vorzugsweise aus nicht magnetisierbarem Material, wie etwa Kunststoff, besteht und damit nicht einstückig zusammen mit dem Kolben 52 ausgebildet ist, aber dennoch an ihrer Außenseite Kolbenringe tragen kann.
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Der Kolben 52 hat dann eine vorzugsweise radial abseits des Fortsatzes 54 ebene Unterseite, und die Gleithülse 14 hat eine Länge, die gleich groß oder geringfügig größer als die des Magnetverbundes 4 ist. Mittels der vorzugsweise ebenfalls wiederum vorhandenen Mutter 55 kann dann - mit oder ohne Zwischenlage des dargestellten Führungsringes 56 zwischen Mutter 55 und Gleithülse 14 - die Gleithülse 14 mittels der aufgeschraubten Mutter 55 axial gegen die Unterseite des Kolbens 52 dicht angepresst werden.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass eine ausreichend große axiale Dichtungslänge erhalten bleibt, aber radial von innen nach außen das Magnetfeld 15, dessen Feldlinien in 2a an einer Stelle beispielhaft dargestellt sind, nicht zusätzliches magnetisierbares Material außer der Wandung 51 durchdringen muss.
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Vorzugsweise ist auch bei dieser Lösung eine elastische Zwischenlage 12 auf der Innenseite des Magnetverbundes 4 und/oder auf einer oder beiden Stirnseiten angeordnet.
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Dies bedingt dann eine Totzone, in der die Position nicht messbar ist, eben auf der gegenüber liegenden Seite des Kolbens 52, vor allem jedoch erschwert es den Wechsel des Magnet-Verbundes 4, falls diese gewechselt werden müsste, da der frei endende Fortsatz 54 im Bedarfsfall leichter zugänglich ist als die Kolbenstange 53, die ja an ihrem vom Kolben 52 gegenüber liegenden Ende mit einem weiteren Element gekoppelt ist.
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Alle in den Figuren dargestellten Magnetverbunde 4 sind rotationssymmetrisch um die axiale Richtung 10, die Messrichtung, ausgebildet.
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In der unteren Hälfte der 2b ist - im Gegensatz zur Darstellung in der unteren Hälfte der 2a - die als Flussleitelement wirkende Mutter 55 direkt axial anschließend an dem Magnetverbund 4 angeordnet und presst die Verbund-Magnete 5a, b, c - hier ohne elastische Zwischenlage 12 - axial gegen den Kolben 52, während der z.B. aus Kunststoff bestehende Führungsring 56 sich in Richtung freiem Ende des Fortsatzes 54 daran anschließt, beispielsweise indem der Führungsring 56 selbst an seinem Innenumfang ein auf das Außengewinde 17 des Fortsatzes 54 passendes Innengewinde aufweist und darauf aufgeschraubt werden kann.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass an beiden Stirnseiten direkt - oder indirekt über die dazwischen befindliche elastische Zwischenlage 12 - anliegend an den Magnetverbund 4 Flussleitelemente angeordnet sind, einerseits in Form des Kolbens 52 und des Fortsatzes 54, andererseits in Form der Mutter 55.
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In allen Fällen kann der Fortsatz 54 vom freien Ende her auch hohlgebohrt sein, sodass er im Bereich des Magnetverbundes 4 eine Hülsenform besitzt, was die Wirkung als Flussleitelement zusätzlich begünstigt.
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Es versteht sich von selbst, dass alle in den 2a und b dargestellten Ausbildungsformen sowie andere vorstellbare Ausbildungsformen eines Magnet-Verbundes 4
- - rotationsymmetrisch um die Mess-Richtung 10 ausgebildet sein können und/oder
- - statt auf dem Fortsatz 54 auch gegenüberliegend auf der Kolbenstange 53 angeordnet sein können.
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Die 3b zeigt die Anordnung des Positionssensors 20, bestehend aus Sensoranordnung 1 und Magnet-Verbund 4 an einem Tank 60 im Vertikalschnitt, und in 3a in der Aufsicht von oben.
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Dabei ist der Magnet-Verbund 4 im Inneren des mit dem Flüssigkeitsstand sich vertikal bewegenden, hohlen Schwimmers 61 angeordnet, der natürlich zusätzlich zu dem Magnet-Verbund 4 ein ausreichendes freies Volumen besitzen muss, um eine Auftriebskraft in der im Tank 60 gelagerten Flüssigkeit zu besitzen.
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Der Magnet-Verbund 4 kann jedoch ebenso gut außerhalb des Schwimmers 61, aber fest mit diesem verbunden, angeordnet sein.
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Es kommt lediglich darauf an, dass quer zur Bewegungsrichtung des Schwimmers 61, der axialen Richtung 10, die gleichzeitig die Messrichtung 10 der Sensoranordnung 1 ist, der Magnet-Verbund 4 sich immer in der Aufsicht betrachtet an der gleichen Stelle des Schwimmers 61 befindet, und wenn in der Aufsicht betrachtet der Magnet-Verbund 4 dezentral zum Schwimmer 61 angeordnet ist, sich der Schwimmer 61 nicht um die aufrechte Richtung drehen kann. Dabei muss natürlich bei der Berechnung des wahren Füllstandes die Höhendifferenz zwischen der Mitte des Magnet-Verbunds 4 in vertikaler Richtung und dem Eintauchniveau des Schwimmers berücksichtigt werden.
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In den Figuren ist eine Ausführungsform dargestellt, in der der Schwimmer 61 aus einem hohlen Quader besteht, in dessen Inneren die Gebermagnet-Anordnung 3 fix positioniert ist.
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Der quaderförmige Schwimmer 61 wird in der Aufsicht der 3a betrachtet immer an der gleichen Stelle innerhalb des Tanks 60 gehalten, in dem er durch entsprechende vertikal verlaufende Führungen in Querrichtungen zur Vertikalen geführt wird.
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In diesem Fall ist der Schwimmer 61 in einer Ecke der Wandung 51 des Tanks 60 angeordnet, und an den beiden weiteren Rechteckseiten des horizontalen Querschnittes des Schwimmers 61 gehalten, indem auf einer Seite eine Führungswand 64 von der Außenwand nach innen ragt und ebenso auf der anderen Seite der Ecke von der Außenwandung 51 eine solche Führungswand 64 nach innen ragt.
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Eine der beiden Führungswände 64 ist hier Teil einer von außen nach innen gerichteten Einbuchtung 63 der Außenwand 51, betrachtet in der Aufsicht, die sich über die im wesentlichen gesamte Höhe des Tanks erstreckt, wie am besten in 3b ersichtlich.
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Die Einbuchtung 63 ist hinsichtlich ihrer Breite so gestaltet, dass der Sensorstab 1a der Sensoranordnung 1 dort über die Höhe des Tanks 60 verlaufend fest positioniert werden kann, und damit sehr geschützt untergebracht ist.
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Selbstverständlich könnte der Sensorstab 1 auch an einer gerade durchgehenden Außenwand 51 an einer beliebigen Stelle der Außenseite, also auf der trockenen Seite 51b des Tanks 60, angeordnet werden, wie in 3a alternativ gestrichelt dargestellt.
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Je nachdem, wo der Sensorstab 1a angeordnet ist, wird der in der Aufsicht betrachtete Magnet-Verbund 4 an einer solchen Stelle - in der Aufsicht betrachtet - im Tank 60, und in diesem dargestellten Fall innerhalb des Schwimmers 61, positioniert, dass sie möglichst nah am Sensorstab 1a liegt. Allerdings muss dabei dafür Sorge getragen werden, dass der Abstand des Magnet-Verbundes 4 zu den ihn umgebenden weichmagnetischen Materialien, beispielsweise dem aus Blech bestehenden Tank ausgebildeten Wänden des dortigen Führungs-Kanals, radial in alle Richtungen gleich weit entfernt ist, um ein magnetisches Anhaften an einer Seite des Führungs-Kanals zu vermeiden, was ja die freie Bewegung in Mess-Richtung 10 behindert würde.
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Wenn sich der Sensorstab 1a in der Ausbuchtung 63 befindet, wird der Magnet-Verbund 4 möglichst nahe an der dem Sensorstab 1a zugewandten Seite des Schwimmers 61 angeordnet, und natürlich auch in der Querrichtung hierzu möglichst nah an dem Sensorstab 1a.
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Im vorliegenden Fall ist in der Aufsicht betrachtet der Schwimmer 61 rechteckig ausgebildet, und die Verbundmagnete 5a, b, c besitzen eine ringförmige Gestalt in der Aufsicht, wobei der Außenumfang der Verbundmagnete 5a, b, c deutlich geringer ist als der Innendurchmesser des Schwimmers 61, was in der Regel notwendig ist, damit der Schwimmer 61 noch einen ausreichend großen Auftrieb besitzt.
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Die Verbundmagnete 5a, b, c sind deshalb auf einer vertikal vom Boden des Schwimmers an einer definierten Position aufragenden Führungsstange 62 aufgesteckt, und auf das nach oben überstehende Ende der Führungsstange 62, die ein Außengewinde besitzt, ist zum Fixieren eine Mutter 55 aufgeschraubt.
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Da in der Regel der Schwimmer 61 aus nicht magnetisierbarem Material, wie etwa Kunststoff, besteht, ist als erstes auf die Führungsstange 62 eine Führungsplatte aus weichmagnetischem Material aufgesteckt, die sich somit unter dem untersten Verbundmagnet 5c befindet und vorzugsweise etwa die Gestalt und Außenabmessungen der Mutter 55 besitzt, die vorzugsweise ebenfalls aus weichmagnetischem Material besteht und am oberen Ende als Flussleitelement wirkt. Falls die Mutter 55 aus nicht magnetisierbarem Material, wie etwa Kunststoff, besteht, ist auch auf dem obersten Verbundmagneten 5b eine solche Führungsplatte aufgelegt bevor die Mutter 55 aufgeschraubt wird, wie in 3b dargestellt.
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Zusätzlich kann zwischen der Führungsstange 62 und den Verbundmagneten 5a, b, c eine Hülse aus weichmagnetischem Material als radial inneres Flussleitelement vorhanden sein.
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Auf diese Art und Weise ist der Magnet-Verbund 4 - in der Aufsicht betrachtet - an einer bestimmten Stelle des Grundrisses des Schwimmers 61 angeordnet, und der Schwimmer 61 kann sich auch nicht in der Aufsicht betrachtet in seiner Führung drehen.
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Falls der Schwimmer 61 dagegen kreisförmig ausgebildet ist und sich somit in seiner vertikalen Führung drehen könnte, wird der Magnet-Verbund 4 vorzugsweise zentral im Grundriss des Schwimmers 61 angeordnet und vorzugsweise so, dass sie dessen Querschnitt vollständig ausfüllt.
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Die 4a, b zeigen einen Magnetverbund 4, bei denen die einzelnen Verbundmagnete oder Verbundabschnitte axial, also in Messrichtung 10, aufeinander folgen, während in den 5a, b Lösungen gezeigt sind, bei denen diese in einer Richtung quer zur Messrichtung, insbesondere in Umfangsrichtung um die Messrichtung, aufeinander folgen.
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4a zeigt einen Axialschnitt durch einen ringförmigen Magnetverbund 4, der in der linken Hälfte dieser Figur als einstückiger Magnetverbund 4 mit Verbundabschnitten 2a-c dargestellt ist, in der rechten Bildhälfte dagegen aus einzelnen ringförmigen Verbundmagneten 5a, b, c, die sich stirnseitig sogar berühren.
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Unabhängig davon ist die Polrichtung 6a des mittleren Verbundmagneten 5a oder Verbundabschnitts 2a radial nach außen gerichtet, während die beidseits stirnseitig, also in Axialrichtung 10, daran anliegenden seitlichen Verbundmagnete 5b, 5c oder Verbundabschnitte 2b, 2c eine jeweils in Messrichtung 10 verlaufende Polrichtung 6b, 6c aufweisen, diese beiden Polrichtungen jedoch gegeneinander gerichtet sind.
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4c zeigt in Messrichtung 10 betrachtet, dass die Außenkontur eines solchen Magnetverbundes 4 gemäß der linken Darstellung eine kreisrunde Außenkontur sein kann, gemäß der mittleren Darstellung jedoch auch eine polygone, hier sechseckige, Außenkontur. Letzteres hat den Vorteil, dass durch die unrunde Außenkontur durch entsprechendes Anlegen eines Führungselementes von außen an eine oder gar mehrere der Außenflächen eine Drehung des Magnetverbundes 4 um die Längsachse 10 verhindert werden kann, was vor allem dann notwendig ist, wenn die Polrichtungen nicht rotationssymmetrisch ausgebildet sind, sondern nur in eine oder einzelne radiale Richtungen ein starkes magnetisches Nutzfeld abstrahlen.
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So zeigt beispielsweise 4c einen solchen Magnetverbund 4, der nur ein Segment um die Messrichtung 10 herum darstellt, und daher ebenfalls die Möglichkeit bietet, z. B. an den Flanken oder den Ecken bei dieser Blickrichtung ein Führungselement anzuordnen, um eine Drehung dieses segmentartigen Magnetverbundes um die Messrichtung 10 zu verhindern.
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4b zeigt ebenfalls in einem Längsschnitt durch einen zylindrischen Magnetverbund mit ebenfalls zentralem Durchbruch 7, dass die einzelnen Verbund-Magnete 5a, b, c nicht ringscheibenförmig ausgebildet sein müssen, sondern als z.B. Stabmagnete 5a, b, c in entsprechende Ausnehmungen eines Basiskörpers 3, der beispielsweise aus Kunststoff oder einem anderen nicht magnetisierbaren Material bestehen kann, auf einfache Art und Weise eingeschoben werden können, was die Herstellung verbilligt:
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So ist der mittlere Verbundmagnet 5a in eine radial verlaufende, zur Mantelfläche hin offene, passende Ausnehmung einfach eingeschoben, bei Bedarf in Umfangsrichtung in regelmäßigen Winkelabständen.
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Die in Messrichtung 10 beidseits davon angeordneten Verbundmagnete 5b, c sind in jeweils von zur Stirnseite hin offene, axial verlaufende, entsprechende passende Ausnehmungen eingeschoben, die in der rechten Bildhälfte in Messrichtung 10 verlaufen, in der linken Bildhälfte dagegen schräg hierzu verlaufen und sich von der stirnseitigen Mündung im Basiskörper 3 schräg nach radial außen gerichtet sind.
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Auch diese Ausnehmungen und Verbundmagnete 5b, 5c können vorzugsweise in Umfangsrichtung mehrfach angeordnet sein, je nachdem an wie vielen Umfangsstellen das Nutzfeld benötigt wird.
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Die einzelnen Verbundmagnete 5a, b können beispielsweise als einfache Stabmagnete mit beliebigem, insbesondere rundem oder viereckigem Querschnitt, ausgeführt sein.
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Für die 4a-c gilt weiterhin, dass die Querschnittsform des zentralen Durchbruches - der primär der Befestigung an einem Bauteil der Umgebung dient - ebenfalls für die Erfindung irrelevant ist, aus Vereinfachungsgründen in der Regel jedoch rund gewählt wird.
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Die 5a zeigt mit Blick in Messrichtung 10 einen Magnetverbund 4, der aus zwei Dreiergruppen von Verbundmagneten 5a, b, c oder Verbundabschnitten 2a, b, c besteht, die sich in Umfangsrichtung aneinander anschließen. Jede Dreiergruppe erstreckt sich in diesem Fall über 180° des Umfanges, sodass zwei solche Dreiergruppen einen vollen Umfang von 360° ergeben, was jedoch weder hinsichtlich der Winkelerstreckung einer Gruppe noch der Anzahl von Gruppen für die Erfindung wichtig ist, sondern vom jeweiligen Anwendungsfall abhängt:
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Bei jeder Gruppe ist die Polrichtung 6a des mittleren Segments der Gruppe nach radial außen gerichtet und die Polrichtungen 6b, c der daneben befindlichen benachbarten Segmente, also Verbundmagnete 5b, c oder Verbundabschnitte 2b, c, in Umfangsrichtung oder tangential zur Umfangsrichtung des jeweiligen Segmentes gerichtet, jedoch jeweils gegen das mittlere Segment 6a.
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In 5a besitzt der Verbundmagnet auch überhaupt keinen zentralen Durchbruch 7, was für alle anderen Bauformen von einem Magnetverbund 4 ebenfalls möglich ist.
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5b zeigt einen betrachtet in Messrichtung 10 wiederum kreisringförmigen Magnetverbund mit zentralem ebenfalls kreisrundem Durchbruch 7, jedoch wie in 5a 3er-Gruppen von sich in Umfangsrichtung aneinander anschließenden Verbundmagneten oder Verbundabschnitten.
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In diesem Fall sind es jedoch vier solcher 3er-Gruppen, sodass es um 90° beabstandet jeweils eine nach radial außen weisende Polrichtung gibt.
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Im Fall der 5b besitzen diese jeweils mittleren Verbundabschnitte 2a oder Verbundmagnete 5a eine in dieser Blickrichtung gleichbleibende Breite, während die anderen eine jeweils etwa kreissegment-förmige Gestalt, nach radial außen breiter werdende, Gestalt aufweisen.
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In der unteren Bildhälfte der 5b sind ferner zwischen den einzelnen Segmenten elastische Zwischenlagen 12 angeordnet, um die aneinander anliegenden in diesem Fall einzelnen Verbundmagnete 5a, b, c nicht zu beschädigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensoranordnung
- 2a - c
- Verbund-Abschnitt
- 3
- Basiskörper
- 4
- Magnetverbund
- 5a, b, c
- Verbund-Magnet
- 5'
- Außenkontur
- 6a, b, c
- Polrichtung
- 7
- Durchbruch
- 8
- Feldlinie
- 9
- Kontaktfläche
- 10
- axiale Richtung, Messrichtung
- 11
- Querebene
- 12
- elastische Zwischenlage
- 13
- Klemmschraube
- 14
- Gleithülse
- 15
- Feldlinie
- 16
- Kolbenring
- 17
- Außengewinde
- 18
- axiale Durchgangsöffnung
- 19
- Halter
- 19a
- Vorsprung
- 20
- Positionssensor
- 21
- magnetischer Isolierkörper
- 50
- Arbeitszylinder-Einheit
- 51
- Zylinder, Wandung
- 51a
- Flüssigkeitsseite
- 51b
- trockene Seite
- 52
- Kolben
- 53
- Kolbenstange
- 54
- Fortsatz
- 55
- Mutter
- 56
- Führungsring
- 57
- Tasche
- 58
- Rand
- 59a
- Kopfteil
- 59b
- Fußteil
- 60
- Tank
- 61
- Schwimmer
- 62
- Führungsstange
- 63
- Einbuchtung
- 64
- Führungswand
