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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Hydraulikventilanordnung mit
einem Wegsensor, in welcher ein herkömmliches magnetisch betätigtes Hydraulikventil
(auch Hydraulikmagnet genannt) mit einer Schaltungsanordnung kombiniert
ist. Der im Zusammenhang mit der Erfindung verwendete Wegsensor
umfasst zwei parallel zu einer Bewegungsachse angeordnete Magnetfeldsensoren,
deren Sensorspannungen zu einem Ausgangssignal verknüpft werden,
wobei die zugeordnete Schaltungsanordnung einen zweipoligen Betriebsspannungsanschluss,
einen Schaltausgang und einen Sensorausgang besitzt.
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Zur
Steuerung von hydraulischen Vorrichtungen werden häufig sogenannte
Hydraulikventile eingesetzt, die von einem Elektromagneten angetrieben werden.
Durch unterschiedliche Bestromung der Magnetspulen kann das längs einer
Bewegungsachse verschiebbare Stellglied des Hydraulikventils in
unterschiedliche Positionen gebracht werden, um die Durchflussmenge
der Hydraulikflüssigkeit
in gewünschter
Weise zu beeinflussen. Um eine exakte Steuerung des Hydraulikventils
zu ermöglichen, muss
die jeweilige Ankerstellung des elektromagnetischen Stellantriebs überwacht
werden, wozu Wegsensoren eingesetzt werden. Es ist bekannt, für solche
Messzwecke Differenztransformatorwandler oder Differenzdrosselwandler
einzusetzen. Diese sind jedoch nur begrenzt miniaturisierbar und
aufgrund der notwendigen Messspulen in der Herstellung relativ teuer.
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Aus
der
DE 38 03 293 A1 ist
ein magnetisch betätigter
analoger elektrischer Wegaufnehmer für geradlinige Bewegungen bekannt.
Dieser verwendet zwei Hall-Sensoren, deren Hall-Spannungen durch Differenzbildung zu
einem analogen elektrischen Ausgangssignal verknüpft werden, welches repräsentativ
für die
Position eines Dauermagneten ist, welcher auf der Bewegungsachse
parallel zu den beiden Hall-Sensoren verschoben wird.
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Soweit
der aus der
DE 38 03
293 A1 bekannte Wegaufnehmer als Wegsensor beispielsweise
an Pneumatik- oder Hydraulikzylindern verwendet werden soll, muss
eine zusätzliche
Schaltungsanordnung vorgesehen sein, die den Betrieb der Hall-Sensoren
ermöglicht.
In der Regel ist insbesondere bei kleinen Wegsensoren eine hohe
Genauigkeit gefordert, sodass die Magnetfeldsensoren mit hoher mechanischer
Präzision
an der Messstrecke angebracht werden müssen. Außerdem besteht das besondere Problem,
dass die Magnetfeldsensoren ein stark nichtlineares Ausgangssignal
liefern, wodurch die Verarbeitung in nachfolgenden Steuersystemen
erschwert wird. Generell ist es in diesem Zusammenhang bekannt,
dass nichtlineare Sensoren kalibriert werden können, um die Genauigkeit zu
verbessern und ein weitgehend lineares Ausgangssignal bereit zu
stellen.
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Lemme
beschreibt in „Anpassungsfähigkeit durch
Programmierbarkeit" in
Elektronik 10/1999, S. 76–82
einen Hallsensor, der mit einem Signalprozessor auf einem Chip vereinigt
ist, um ein magnetfeldabhängiges,
programmierbares Sensorelement bereitzustellen. Dazu wird ein Hall-Sensor
mit einer Schaltungseinheit kombiniert. Durch Anlage eines Spannungspotentials
kann die Schaltung in einen Programmierbetrieb umgeschaltet werden,
um in dem integrierten Speicher Daten und Programmbefehle abzulegen.
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In
der
DE 197 11 215
C1 ist ein Verfahren zur Umschaltung zwischen verschiedenen
Ausgangsignalarten einer Positionsmesseinrichtung beschrieben. Daraus
ist es u.a. bekannt, Umschaltsignale über eine Versorgungsleitung
der Positionsmesseinrichtung zu übertragen.
Die zur Positionserfassung eingesetzten Hall-Elemente erfassen an
mehreren Stellen die Magnetfeldänderung,
die von einer bewegten, alternierend magnetisierten Maßstabteilung erzeugt
werden.
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Aus
der
DE 32 27 245 C2 ist
ein Weggeber bekannt, der mittels eines Hall-Elementes die Stellung
eines positionsgeregelten Elektromagneten erfasst. Der positionsgeregelte
Elektromagnet dient der Betätigung
eines Ventils. Zur Wegerfassung dient ein beweglicher Stabmagnet
und eine stationär
angeordnete Signalgebervorrichtung, die ein einzelnes Hall-Element
umfasst.
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Wenn
eine den Magnetfeldsensoren zugeordnete Schaltungsanordnung neben
der Bereitstellung des Messsignals auch die Kalibrierung der Sensoren
ermöglichen
soll, sind zusätzliche
Bauelemente und zumindest weitere Anschlusspunkte erforderlich, über welche
externe Programmierungs- und Steuerungssignale eingeprägt werden
können.
Dazu werden zusätzliche
Steckverbinder oder dergleichen benötigt, durch welche die Baugröße der häufig miniaturisierten
Geräte
(z.B. Hydraulik magnete) teilweise erheblich vergrößert wird
und durch welche die Gesamtkosten dieser Geräte ansteigen.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Hydraulikventilanordnung mit
einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines mit zwei Magnetfeldsensoren
ausgerüsteten Wegsensors
bereitzustellen, die eine elektronische Kalibrierung und Linearisierung
des Wegsensors ermöglicht,
ohne dass dafür
zusätzliche
Anschlusselemente für
eine Verbindung der Schaltungsanordnung mit einem externen Servicegerät benötigt werden.
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Diese
und weitere Aufgaben werden von der erfindungsgemäßen Hydraulikventilanordnung
erfüllt,
deren erfindungswesentliche Merkmale im angefügten Anspruch 1 angegeben sind.
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Der
Vorteil der Einbindung eines Mikroprozessors, welcher in einem Messmodus
und einem Programmiermodus betrieben werden kann, besteht hauptsächlich darin,
dass die Magnetfeldsensoren kalibriert werden können, ohne dass dafür zusätzliche
Steckverbinder am Wegsensor erforderlich sind. Die Umschaltung zwischen
den Betriebsmodi des Mikroprozessors wird dabei von einem Umschaltelement
initiiert, welches das Spannungspotential am Sensorausgang und/oder
am Schaltausgang überwacht
und ein entsprechendes Umschaltsignal an den Mikroprozessor liefert.
Dadurch wird es möglich, durch
Einprägen
eines Spannungssignals an einem dieser beiden Ausgänge den
Mikroprozessor in den Programmiermodus zu versetzen, in welchem
der Schaltausgang und der Sensorausgang zur Abwicklung einer bidirektionalen
Datenkommunikation nutzbar gemacht werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform wird
das Umschaltelement durch einen Spannungsteiler gebildet, der im
Falle des Anliegens eines Umschaltpotentials ein Umschaltsignal
generiert und an einen weiteren Analog/Digital-Wandlereingang des Mikroprozessors
liefert. Der Mikroprozessor ist dabei so programmiert, dass er das
Umschaltsignal an diesem Wandlereingang beispielsweise während einer Initialisierungsroutine
erkennt und daraufhin den geforderten Betriebsmodus einnimmt.
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Eine
weitergebildete Ausführungsform
zeichnet sich dadurch aus, dass vom Umschaltelement ein zweistufiges
Umschaltsignal generiert werden kann, sodass der Programmiermodus
in einen Kalibrierungsmodus und einen Kommunikationsmodus unterteilt
wird, in denen der Mikroprozessor unterschiedliche Aufgaben erfüllt.
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Mit
der Schaltungsanordnung in einer Hydraulikventilanordnung wird es
möglich,
Magnetfeldsensoren zur Erfassung der Position des Stellgliedes einzusetzen,
wobei diese Sensoren kalibriert werden können und gleichzeitig eine
Linearisierung des Ausgangssignals möglich ist, ohne dass dafür zusätzliche
Steckeranschlüsse
oder dergleichen an der Hydraulikventilanordnung erforderlich wären, sodass
die gewünschte
Baugröße eines
mit der Schaltungsanordnung ausgerüsteten Hydraulikventils trotz verbesserter
Sensortechnik beibehalten werden kann.
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Als
besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung von Hall-Sensoren
als Magnetfeldsensoren. Im nachfolgenden wird die Erfindung daher auch
in Bezug auf den Einsatz solcher Hall-Sensoren beschrieben. Es ist
aber darauf hinzuweisen, dass auch andere Sensoren, wie z.B. magnetoresistive Sensoren
verwendet werden können.
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Weitere
Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung,
unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung
für einen
Wegsensor;
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2 ein
vereinfachter Programmablaufplan der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung;
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3 ein
Blockschaltbild eines externen Servicegeräts, welches der Programmierung
der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung dient;
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4 eine
vereinfachte Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Hydraulikventilanordnung mit
zwei Hall-Sensoren.
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1 zeigt
ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 1 zum
Betrieb eines Wegsensors. Als Sensorelemente umfasst die Schaltungsanordnung
zwei Hall-Sensoren 2,
die ihre Hall-Spannungen an einen Mikroprozessor 3 bereitstellen.
Der Mikroprozessor 3 empfängt die Hall-Spannungen an einem
ersten Analog/Digital-Wandlereingang 4 und an einem zweiten
Analog/Digital-Wandlereingang 5. Wenn wie im dargestellten
Beispiel als Mikroprozessor ein PIC 16C717 verwendet wird, enthält die Schaltungsanordnung weiterhin
einen Oszillator 6, der ein Taktsignal an den Mikroprozessor
liefert. Bei anderen Ausführungsformen
könnte
die Taktgenerierung auch im Mikroprozessor integriert sein. Ebenso
ist bei der dargestellten Ausführungsform
ein separates Speicherelement 7 vorgesehen, in welchem
Daten und Programmbefehle abgelegt werden können. Vorzugsweise wird als
Speicherelement ein EEPROM verwendet, der mit dem Mikroprozessor 3 kommuniziert.
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Der
Anschluss der Schaltungsanordnung erfolgt über einen Sensoranschluss 10,
welcher beispielsweise als vierpoliger Steckverbinder ausgebildet
ist. Der Steckverbinder 10 umfasst zwei Betriebsspannungsanschlüsse 11, über welche
die Schaltungsanordnung mit der benötigten Betriebsspannung versorgt
wird, beispielsweise 24 Volt Gleichspannung. Außerdem umfasst der Sensorsteckverbinder 10 einen
Schaltausgang 12 zur Abgabe eines Schaltsignals und einen
Sensorausgang 13, an welchem ein Sensorsignal bereitgestellt
wird. Prinzipiell könnten
als Verbindungselement auch ein Schraubanschluss, vier einzelne
Kontaktstifte oder ähnliche Kontaktelemente
verwendet werden.
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Zweckmäßigerweise
enthält
die Schaltungsanordnung 1 einen Spannungsregler 15,
der die benötigten
Betriebsspannungen an den Mikroprozessor und die sonstigen Bauteile
der Schaltungsanordnung in der gewünschten Qualität bereitstellt.
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Die
gesamte Schaltungsanordnung 1 und insbesondere der Mikroprozessor 3 können in
unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden, deren Funktion
und Arbeitsweise nachfolgend erläutert wird.
Die an sich bekannte Funktion eines Wegsensors wird von der Schaltungsanordnung
im Messmodus wahrgenommen. Die beiden Hall-Sensoren 2 sind
dazu parallel zu einer Bewegungsachse angeordnet, auf welcher ein
Dauermagnet bewegt wird, dessen Position auf der Bewegungsachse
von den Hall-Sensoren
erfasst werden soll (vgl. 4). Die
in Abhängigkeit
von der Position des Dauermagneten von den Hall-Sensoren 2 erzeugte
Hall-Spannung wird als analoges Signal an die Analog/Digital-Wandlereingänge 4, 5 des
Mikroprozessors 3 geliefert. Der Mikroprozessor 3 generiert
aus den beiden Hall-Spannungen ein Ausgangssignal, beispielsweise
indem die Differenz aus den Absolutwerten der beiden Hall-Spannungen
gebildet wird. Dieses ermittelte Ausgangssignal wird gegebenenfalls
vom Mikroprozessor in Abhängigkeit
von der jeweiligen Programmierung weiter bearbeitet und an einem
Kommunikationspin 17 abgegeben. Das Ausgangssignal durchläuft bei
der dargestellten Ausführungsform nachfolgend
einen RC-Filter 18 und einen Ausgangsverstärker 19,
welcher dann das Sensorsignal am Sensorausgang 13 bereitstellt.
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In
vielen Anwendungsfällen
ist es wünschenswert,
wenn neben dem quasi-kontinuierlichen Sensorsignal weiterhin ein
Schalt signal generiert wird, sobald die ermittelte Wegposition einen
vorbestimmten Schwellwert erreicht. In einfachen Fällen kann
die vorbestimmte Position die Endlage des beweglichen Dauermagneten
sein. Durch eine entsprechende Programmierung (siehe unten) kann
der Schwellwert jedoch auch an einer beliebigen anderen Stelle der
Bewegungsstrecke definiert werden. Das Schaltsignal wird ebenfalls
vom Mikroprozessor 3 generiert und an einem Schaltpin 20 abgegeben. Durch
einen nachfolgenden Operationsverstärker 21 und gegebenenfalls
einen Schalttransistor 22 wird die Signalcharakteristik
auf die gewünschten
Werte eingestellt, sodass das Schaltsignal letztlich am Schaltausgang 12 zur
Verfügung
steht.
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Um
die Nichtlinearitäten
der Hall-Sensoren auszugleichen und gegebenenfalls Montageungenauigkeiten
zu berücksichtigen,
ist eine Kalibrierung des Wegsensors erforderlich. Dies kann durch
Aufnahme der Kennlinie des Sensors und Generierung entsprechender
Ausgleichswerte geschehen. In an sich bekannter Weise wird dazu
eine so genannte Look-Up-Tabelle erzeugt, die im Speicherelement 7 abgelegt
wird. Ebenso ist es gewünscht,
die Sensorcharakteristik an die jeweiligen Anwendungsfälle anzupassen,
indem die Sensorkennlinie durch externe Vorgaben beeinflusst werden
kann. Um diese Funktionen zu realisieren kann der Mikroprozessor
in einen Programmiermodus versetzt werden, der beispielsweise wiederum
in einen Kalibrierungsmodus und einen Kommunikationsmodus unterteilt
ist. Diese beiden Submodi unterscheiden sich nur hinsichtlich der
Funktionen und Programmabläufe,
die vom Mikroprozessor realisiert werden, wobei die generellen Funktionen
dem Fachmann bekannt sind und hier nicht detailliert erläutert werden.
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Vorzugsweise
wird der Mikroprozessor so programmiert, dass die folgenden Funktionen
von der Sensorsoftware ausgeführt
werden können:
- • Kennlinienkorrektur
- • Spannungskalibrierung
- • Stützstelleninterpolation
- • Definition
von Schaltpunkten
- • Korrektur
des Messbereichs (Spreizung)
- • Kommunikation
mit einem Servicegerät.
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Damit
die Schaltungsanordnung den Programmiermodus auch im komplett montierten
Zustand einnehmen kann, muss die Initialisierung des Programmiermodus
und die Kommunikation mit einem externen Servicegerät über den
zur Verfügung stehenden
vierpoligen Sensoranschluss 10 ermöglicht werden. Dazu wird während einer
Initialisierungsroutine ein Umschaltpotential von außen an dem
Sensorausgang 13 eingeprägt. Das Umschaltpotential wird
von einem Spannungsteiler 23 bearbeitet und als Umschaltsignal
an einen Betriebsartwahleingang 24 des Mikroprozessors 3 gelegt,
welcher im dargestellten Beispiel als dritter Analog/Digital-Wandlereingang
ausgebildet ist.
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In 2 ist
ein Programmablaufplan dargestellt, in welchem die wichtigsten Schritte
angegeben sind, die vom Mikroprozessor 3 im jeweiligen
Betriebsmodus ausgeführt
werden. Das vorzugsweise durch eine entsprechende Software realisierte
Verfahren startet im Schritt 30. Im Schritt 31 werden
aus dem Speicherelement (EEPROM) die dort abgelegten Daten eingelesen,
insbesondere die Look-Up-Tabelle. In gleicher Weise werden die Kalibrierwerte
im Schritt 32 eingelesen. Während dieses Initialisierungsabschnittes
prüft der
Mikroprozessor, ob an die Schaltungsanordnung 1 über den
Sensorsteckverbinder 10 ein Steuer- oder Servicegerät angeschlossen
ist, was im Schritt 33 durch Abfrage des Spannungspotentials
am Sensorausgang 13 realisiert wird. Für den Fall, dass kein Servicegerät angeschlossen
ist, setzt der Mikroprozessor seine Arbeitsweise im Messmodus fort,
welcher im Schritt 34 startet. Innerhalb des Messmodus
werden beispielsweise im Schritt 35 die von den Hall-Sensoren
gelieferten Werte eingelesen und im Schritt 36 das Sensorsignal über den
Sensorausgang 13 an die nachgeordneten Schaltungseinheiten
ausgegeben.
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Stellt
der Mikroprozessor hingegen im Schritt 33 fest, dass ein
Umschaltpotential am Sensorausgang 13 anliegt, tritt er
in den Programmiermodus im Schritt 37 ein. Der Programmiermodus
ist wiederum in mehrere Unterroutinen aufgeteilt, in denen beispielsweise
im Schritt 38 neue Daten in das Speicherelement geschrieben
werden oder im Schritt 39 für eine Kalibrierung die Hall-Sensoren
ausgelesen werden und eine Spannungskalibrierung erfolgt.
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Im
Programmiermodus ist eine Kommunikation zwischen der Schaltungsanordnung 1 und
einem Servicegerät 40 erforderlich,
dessen Blockschaltbild in 3 dargestellt
ist. Wie bereits erläutert
wurde, wird zur Initialisierung des Programmiermodus ein Spannungspotential
am Sensorausgang 13 angelegt, wobei der Sensorausgang 13 nachfolgend
zur bidirektionalen Übertragung
digitaler Daten verwendet wird, die dem Mikroprozessor 3 am
Kommunikationspin 17 eingespeist werden. Damit eine sichere Datenkommunikation
durchgeführt
werden kann, ist zur Synchronisation ein Kommunikationstakt erforderlich,
der zwischen der Schaltungsanordnung und dem Servicegerät über den
Schaltausgang 12 ausgetauscht wird. Zur Kommunikation zwischen
der Schaltungsanordnung 1 und dem Servicegerät 40 ist somit
wiederum nur der vierpolige Sensoranschluss 10 erforderlich.
Weitere Anschlussstifte werden nicht benötigt.
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Im
Servicegerät 40 wird
ein weiterer Mikroprozessor 41 verwendet, wobei vorzugsweise
ein PIC 16C876 eingesetzt wird. Über
einen Synchronisierungspin 42 erhält der Mikroprozessor 41 des
Servicegeräts
das Taktsignal von der Schaltungsanordnung 1, wobei in
diesem Fall die Schaltungsanordnung des Wegsensors als Master-Gerät arbeitet.
Bei anderen Ausführungsformen
könnte
die Master-Funktion auch vom Servicegerät übernommen werden.
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Von
einem Modusblock 43 wird das benötigte Umschaltpotential an
den Sensorausgang 13 geliefert, um zwischen den Betriebsmodi
umzuschalten. Über
eine serielle Schnittstelle 44 kann eine Anbindung an einen
externen Personalcomputer 45 erfolgen. Vorzugsweise läuft auf
diesem Personalcomputer 45 eine Software ab, die dem Bediener
eine komfortable Bedienoberfläche
bereit stellt, um über
einfache Befehle die entsprechenden Funktionen des Servicegeräts 40 zu
steuern und damit letztlich eine Programmierung der Schaltungsanordnung 1 vornehmen
zu können.
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4 zeigt
eine vereinfachte Schnittdarstellung einer Hydraulikventilanordnung 50,
welche neben dem eigentlichen Hydraulikventil eine Schaltungsplatine
enthält
(nicht dargestellt), auf der die Schaltungsanordnung 1 für den Wegsensor
realisiert ist. Das Hydraulikventil besitzt ein Stellglied 51,
welches entlang einer Bewegungsachse 52 verschiebbar angeordnet
ist. Um die Durchflussmenge von Hydraulikflüssigkeit zu steuern, wird das
Stellglied 51 verschoben, wobei die Antriebskraft von einer
Elektrospule 53 geliefert wird. Ein Dauermagnet 54 ist mechanisch
mit dem Stellglied 51 gekoppelt, sodass der Dauermagnet
ebenfalls entlang der Bewegungsachse 52 verschoben wird
und seine Position repräsentativ
für die
Position des Stellgliedes ist. Die Position des Dauermagneten 54 wird
von den beiden Hall-Sensoren 2 ermittelt, die ebenfals
im Gehäuse der
Hydraulikventilanordnung positioniert sind. Schließlich umfasst
die Hydraulikventilanordnung den Sensoranschluss 10 mit
den bereits beschriebenen Kontakten 11, 12, 13.
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Durch
die oben erläuterte
Schaltungsanordnung wird es erfindungsgemäß möglich, einen Wegsensor mit
geringer Baugröße in das
Hydraulikventil zu integrieren, wobei die geforderten Genauigkeiten
und Linearitäten
durch eine Kalibrierung des Wegsensors ermöglicht werden. Die Gesamtbaugröße des Hydraulikventils
wird nicht durch zusätzliche Anschlusselemente
vergrößert, da
die Programmierung der Schaltung über denselben vierpoligen Sensoranschluss
realisiert werden kann, der im Messmodus für das Auslesen der Sensorsignale
benötigt wird.
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- 1
- Schaltungsanordnung
für den
Wegsensor
- 2
- Hall-Sensoren
- 3
- Mikroprozessor
- 4
- erster
Analog/Digital-Wandlereingang
- 5
- zweiter
Analog/Digital-Wandlereingang
- 6
- Oszillator
- 7
- Speicherelement
- 10
- Sensoranschluss
- 11
- Betriebsspannungsanschluss
- 12
- Schaltausgang
- 13
- Sensorausgang
- 15
- Spannungsregler
- 17
- Kommunikationspin
- 18
- RC-Filter
- 19
- Ausgangsverstärker
- 20
- Schaltpin
- 21
- Operationsverstärker
- 22
- Schalttransistor
- 23
- Spannungsteiler
- 24
- Betriebsartwahleingang
- 40
- Servicegerät
- 41
- Mikroprozessor
des Servicegerätes
- 42
- Synchronisierungspin
- 43
- Modusblock
- 44
- serielle
Schnittstelle
- 45
- Personalcomputer
- 50
- Hydraulikventilanordnung
- 51
- Stellglied
- 52
- Bewegungsachse
- 53
- Elektrospule
- 54
- Dauermagnet