DE10246573A1 - Messeinrichtung und Verfahren zur berührungslosen Positionsermittlung - Google Patents

Abstract

Messeinrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Position eines ersten Bauteils (10, 12), das in einem zweiten Bauteil (14) geführt ist, mit mindestens einem magnetischen Element (10) und mit zumindest einem Sensorelement (S1; S2), wobei das zumindest eine Sensorelement (S1; S2) ausgelegt und angeordnet ist, die magnetische Feldstärke des infolge des magnetischen Elements (10) gebildeten Gleichstromkreises, der zumindest abschnittsweise das erste und das zweite Bauteil (10, 12, 14) umfasst, auszuwerten und Verfahren zur berührungslosen Ermittlung der Position eines ersten Bauteils (10, 12), das in einem zweiten Bauteil (14) geführt ist, wobei durch das erste und das zweite Bauteil (10, 12, 14) sowie durch mindestens ein magnetisches Element (10) ein magnetischer Gleichstromkreis gebildet wird, der zumindest abschnittsweise das erste und das zweite Bauteil (10, 12, 14) umfasst, und durch mindestens ein Sensorelement (S1; S2) die magnetische Feldstärke dieses magnetischen Gleichstromkreises ausgewertet wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Position eines ersten Bauteils, das in einem zweiten Bauteil geführt ist, mit mindestens einem magnetischen Element und mit zumindest einem Sensorelement. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur berührungslosen Positionsermittlung.
• Derartige Messeinrichtungen werden verwendet beispielsweise zur Bestimmung der Position eines Kolbens in einem Zylinder. Einsatzgebiete ergeben sich insbesondere in der Automobilindustrie, beispielsweise zur Bestimmung der Lage beziehungsweise Höhe bei Fahrwerksystemen oder bei Headlight-Leveling-Systemen (Leuchtweitenregulierung) und auch innerhalb beziehungsweise außerhalb eines konventionellen Dämpfers (Ein- oder Mehrrohr) oder an schaltbaren Dämpfern, wie diese bei Luftfedern und Luftfederdämpfern benutzt werden.
• Eine gattungsgemäße Messeinrichtung ist bekannt aus der DE 100 20 764 A1 . Diese Druckschrift beschreibt am Beispiel einer berührungslosen Abstandsermittlung zwischen Achse und Aufbau eines Fahrzeugs eine Anordnung, bei der ein mit einer Kolbenstange verbundener Kolben in einem Zylinder geführt ist. Zur Ermittlung wie weit sich der Kolben in dem Zylinder befindet, ist auf der Kolbenstange ein Informationsträger mit einem Code aufmagnetisiert. Mittels eines Sensorelements, das außerhalb des Zylinders angebracht ist, wird der Code des Informationsträgers abgetastet und somit die Position bestimmt. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Sensor an einem mit der Kolbenstange verbundenen Kolben eingebaut und die Innenfläche des Zylinders ist mit dem Informationsträger versehen. Der Informationsträger ist nicht durch eine mechanische Struktur gebildet, sondern besteht aus einer hartmagnetischen Schicht, die, ähnlich wie bei einem Tonband, mit einem Code aufmagnetisierbar ist. Der Code wird durch unterschiedlich magnetisierte Bereiche auf dem Informationsträger beschrieben und ist derart gewählt, dass vom Sensor nicht nur die genaue Position des Kolbens, sondern auch die Bewegungsrichtung des Kolbens erfasst wird, wodurch ein Steuergerät, dem die Signale zugeführt werden, erkennt, in welchem Maß eine Niveauregulierung vorzunehmen ist. Die Kolbenstange besteht aus Stahl, wobei zwischen dem Informationsträger und dem Stahl eine unmagnetische Schicht angeordnet ist, die verhindert, dass sich die magnetischen Feldlinien durch den Stahl schließen.
• Der Nachteil dieser bekannten Messeinrichtung besteht darin, dass der hierbei verwendete Informationsträger je nach Ausführungsform unterschiedliche Nachteile aufweist. Wird der Informationsträger nach Art eines Tonbands hergestellt, ist die Herstellung zwar einfach, jedoch das Ergebnis nicht robust. Ein beschädigter Informationsträger kann keine vernünftigen Daten mehr liefern. Macht man den Informationsträger robuster, beispielsweise durch eine mechanische Bearbeitung der Kolbenstange, bei der Lücken gefräst werden, die dann mit einem Material mit anderen magnetischen Eigenschaften als das Grundmaterial ausgegossen werden, so schlägt sich dies in den Herstellungskosten nieder. Weiterhin lässt sich dadurch nur eine geringe Auflösung erzielen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Messeinrichtung derart weiterzubilden, dass sie robust ausgeführt ist und sich dennoch durch eine hohe Auflösung auszeichnet. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren zur berührungslosen Ermittlung der Position eines ersten Bauteils, das in einem zweiten Bauteil geführt ist, bereitzustellen.
• Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Messeinrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1. Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 10.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine Positionsbestimmung der magnetische Fluss ausgewertet werden kann, der in einem Kreis fließt und zwar teilweise durch das erste Bauteil und teilweise durch das zweite Bauteil. Je nachdem, an welcher Position sich das erste Bauteil in dem zweiten Bauteil befindet, lässt sich ein anderer magnetischer Fluss ermitteln, wodurch auf die Position des ersten Bauteils im zweiten Bauteil geschlossen werden kann.
• Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Lösung keine magnetischen Muster auf eines der Bauteile aufgebracht werden müssen, weder das erste noch das zweite Bauteil in größerem Umfang mechanisch bearbeitet werden müssen, lässt sich eine kostengünstige Messeinrichtung herstellen. Insbesondere wirken sich bei geeigneter Kalibrierung bereits minimale Positionsunterschiede im magnetischen Fluss aus, so dass eine sehr hohe Auflösung erreicht werden kann.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein magnetisches Element ein separates Element, vorzugsweise ein Permanentmagnet, das in der Nähe oder auf dem ersten oder dem zweiten Bauteil angeordnet ist. Die Anordnung eines separaten magnetischen Elements stellt eine besonders einfache Maßnahme dar, um einen magnetischen Gleichstromkreis einzurichten, der sich vom Erdmagnetfeld abhebt und daher zum Zwecke der Erfindung ausgewertet werden kann. Alternativ kann das mindestens eine magnetische Element durch zumindest einen magnetisierten Abschnitt des ersten oder des zweiten Bauteils gebildet werden. Bei einer derartigen Vorgehensweise entfallen Befestigungsmaßnahmen für ein separates magnetisches Element.
• Bevorzugt ist das erste Bauteil ein Kolben und das zweite Bauteil ein Zylinder.
• Als das mindestens eine Sensorelement kommen bevorzugt folgende Sensoren zur Auswahl: Hall-Sensoren, AMRs (Anisotroper Magneto Widerstand), CMRs (Riesen Magneto Widerstand), GMRs (Kolossaler Magneto Widerstand), Fluxgates, Magneto-Optische Sensoren oder Induktive Sensoren. Das Sensorelement kann auch ein magnetisch aktivierbarer Schalter sein. Da Hall-Sensoren nicht direkt zum Messen des magnetischen Flusses eingesetzt werden können, muss dieser in eines der beiden Bauteile eingelassen werden, z.B. in eine entsprechend vorgesehene Vertiefung.
• Es kann das erste oder das zweite Bauteil unbeweglich sein, wobei mindestens ein Sensorelement auf dem unbeweglichen Bauteil angebracht ist. Durch Anbringen des mindestens einen Sensorelements auf dem unbeweglichen Bauteil wird die Weiterleitung, das heißt insbesondere die Verkabelung zur Weiterleitung, der von dem Sensorelement aufgenommenen Information vereinfacht. Alternativ können sich die beiden Bauteile auch relativ zueinander bewegen.
• Bevorzugt werden zur Durchführung einer Differenzmessung zwei Sensorelemente. Dadurch ergibt sich eine noch bessere Positionsbestimmung und Auflösung. Hierdurch lassen sich auch Streufelder besser eleminieren.
• Noch bevorzugter sind mindestens drei Sensorelemente vorhanden, die zur Eliminierung des Beitrags des Erdmagnetfelds zusammenwirken.
• Um den Einfluss des ersten oder des zweiten Bauteils zu eliminieren, können mindestens zwei Auswertungen miteinander kombiniert werden.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, wobei das erste und das zweite Bauteil im Längsschnitt und aufgrund der Symmetrie nur die obere Hälfte dargestellt sind; und
• 2 den Verlauf zweier Sensorsignale in Abhängigkeit der Stellung des Kolbens im Zylinder von 1.
• In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Position eines ersten Bauteils, hier eines Kolbens 10, 12, der in einem zweiten Bauteil, hier einem Zylinder 14, geführt ist, ist der Kolben 10, 12 magnetisiert. Der magnetisierte Kolben 10, 12 bringt ein magnetisches Feld in die Kombination aus Kolben, der seinerseits aus dem Kolbenkopf 10 und einer Kolbenstange 12 besteht, und Zylinder 14 ein, wobei der Zylinder 14 und der Kolben 10, 12 einen magnetischen Kreis bilden. Anstelle des Kolben 10, 12 können auch andere Teile der Anordnung insbesondere auch mehrere Teile magnetisiert sein, beispielsweise die Kolbenstange 12, nur ein Teil des Kolbenkopfs 10 oder Teile des Zylinders 14. im Falle eines Rohrzylinders kann dies ein magnetisierter Wandabschnitt des Zylinders 14 oder bei Mehrrohrdämpfern ein zusätzlich eingebrachtes Element zwischen den Rohrwänden sein, das heißt, dass entweder ein vorhandenes Teil am Zylinder 14 oder am Kolben 10, 12 magnetisiert wird, oder ein Dauermagnet (nicht dargestellt) zu dem Baugruppenzylinder 14, Kolben 10, 12 hinzukommt.
• Durch Messen der magnetischen Feldstärke an einem oder mehreren Punkten in der Nähe des Kolbens 10, 12 oder des Zylinders 14 kann jede beliebige Position des Kolbens 10, 12 innerhalb des Zylinders 14 bestimmt werden. Dazu kann beispielsweise eine Referenzkurve aufgenommen werden, bei der bestimmte Hübe H der Kolbenstange 10, siehe 1, bestimmten von dem mindestens einem Sensorelement gelieferten Werten entsprechen. Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel bedient sich zweier Sensoren S1, S2, wobei der Sensor S1 am Boden 25 des Zylinders 14 angeordnet ist, während der Sensor S2 am oberen Ende des Zylinders 14 angeordnet ist. Da die Sensoren S1, S2 den unbeweglich gelagerten Zylinder 14 sensieren, wird eine einfache Verkabelung 16, 18 zu einer Auswerteeinheit 20 ermöglicht.
• Als Sensoren S1, S2 zum Messen der magnetischen Feldstärke können alle bekannten Feldsensoren benutzt werden, beispielsweise Halleffekt-Sensoren, AMRs, CMRs, GMRs, Fluxgates oder Magneto-Optische Sensoren. Wie 1 zu entnehmen ist, zeigen sie den Verlauf des magnetischen Flusses in Form der Pfeile 22, 24 an. Ein Anteil 22 verläuft vom Kolbenkopf 10 über die Zylinderseitenwand 26 durch den Zylinderboden 25 zurück zum Kolbenkopf 10, während ein zweiter Anteil 24 vom Kolbenkopf 10 über eine Zylinderseitenwand 26 durch den oberen Teil 28 des Zylinders 14 und die Kolbenstange 12 zurück zum Kolbenkopf 10 verläuft. Anstelle einer Referenztabelle kann die Auswerteeinheit 20 auch eine Formel verwenden, die die Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke an einen bestimmten Ort von der Stellung des Kolbens 10, 12 im Zylinder 14 wiedergibt.
• 2 zeigt den Verlauf der magnetischen Feldstärke der beiden Sensoren S1, S2 in 1 in Abhängigkeit der Kolbenstellung, das heißt des Hubs H. Es ist deutlich zu erkennen, dass bei großem Hub, das heißt weit ausgefahrener Kolbenstange 12 der Sensor S2 ein großes Signal abliefert, während der Sensor S1 ein großes Signal liefert, wenn der Kolben 10, 12 weit eingefahren ist. Die Kurvenverläufe sind nicht symmetrisch, da die vom Kolbenkopf 10 zu den Zylinderwänden 25, 28 eingehaltenen Abstände in seinen Extremstellungen nicht identisch sind. In 2 ist überdies das Erdmagnetfeld B_E eingetragen. Es ist erkennbar, dass zumindest jeweils einer der beiden Sensoren S1, S2 in irgendeiner Stellung des Kolbens 10, 12 ein Signal liefert, das deutlich über dem Erdmagnetfeld B_E liegt.
• Die beschriebene Messeinrichtung kann auch dazu benutzt werden, um Grenzwerte zu setzen, die digitale Ausgangssignale unterstützen.
• Unter den Begriff "magnetische Feldsensoren" sind auch magnetisch aktivierte Schalter, beispielsweise Pfeilschalter (reed switches) zu rechnen, die dazubenutzt werden können, ebenfalls die digitalen Ausgangssignale zu unterstützen.
• Die erfindungsgemäße Messeinrichtung kann auch dazu benutzt werden, um weitere digitale Signale mit bestimmten, unstetigen Positionen im Zylinder anzuzeigen, zum Beispiel eine sogenannte Stop-, End-Sensorfunktion. Durch Kombination von zwei Messungen kann die Position des Kolbens genau gemessen werden und zwar unabhängig von einem zweiten magnetisierten Partner, dessen Dipols und dessen Moments. Durch Kombination von drei oder mehr Messungen kann sogar ein fremdes vorkommendes Magnetfeld, zum Beispiel das Erdmagnetfeld, kompensiert werden.

Claims (14)

1. Messeinrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Position eines ersten Bauteils (10, 12), das in einem zweiten Bauteil (14) geführt ist, mit mindestens einem magnetischen Element (10) und mit zumindest einem Sensorelement (S1; S2), dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (S1; S2) ausgelegt und angeordnet ist, die magnetische Feldstärke des infolge des magnetischen Elements (10) gebildeten Gleichstromkreises, der zumindest abschnittsweise das erste und das zweite Bauteil (10, 12, 14) umfasst, auszuwerten.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein magnetisches Element ein separates Element, vorzugsweise ein Permanentmagnet ist, das in der Nähe oder auf dem ersten oder dem zweiten Bauteil (10, 12, 14) angeordnet ist.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein magnetisches Element (10) gebildet wird durch zumindest einen magnetisierten Abschnitt des ersten oder des zweiten Bauteils (10, 12, 14).
4. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (10, 12) ein Kolben ist.
5. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (14) ein Zylinder ist.
6. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensorelement (S1; S2) ein Hall-Sensor, ein AMR, ein CMR, ein GMR, ein Fluxgate, ein magneto-optischer Sensor oder ein induktiver Sensor ist.
7. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensorelement (S1; S2) ein magnetisch aktivierbarer Schalter ist.
8. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste oder das zweite Bauteil (10, 12, 14) unbeweglich ist und mindestens ein Sensorelement (S1; S2) auf dem unbeweglichen Bauteil (10, 12, 14) angebracht ist.
9. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das erste und das zweite Bauteil (10, 12, 14) relativ zueinander bewegen.
10. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Sensorelemente (S1) auf dem ersten Bauteil (10, 12) und/oder dem zweiten Bauteil (14) angeordnet sind.
11. Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Sensorelemente vorhanden sind und zur Eliminierung des Beitrags des Erdmagnetfelds zusammenwirken.
12. Verfahren zur berührungslosen Ermittlung der Position eines ersten Bauteils (10, 12), das in einem zweiten Bauteil (14) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch das erste und das zweite Bauteil (10, 12, 14) sowie durch mindestens ein magnetisches Element (10) ein magnetischer Gleichstromkreis gebildet wird, der zumindest abschnittsweise das erste und das zweite Bauteil (10, 12, 14) umfasst, und durch mindestens ein Sensorelement (S1; S2) die magnetische Feldstärke dieses magnetischen Gleichstromkreises ausgewertet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Auswertungen kombiniert werden, um den Einfluss des ersten (10, 12) oder des zweiten Bauteils (14) zu eliminieren
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Auswertungen kombiniert werden, um den Einfluss des Erdmagnetfelds zu eliminieren.