DE19754819C1

DE19754819C1 - Vorrichtung zur magnetischen Abstandsmessung

Info

Publication number: DE19754819C1
Application number: DE1997154819
Authority: DE
Inventors: Rudolf Gebhardt; Herbert Blasig
Original assignee: Krauss Maffei Verkehrstechnik GmbH
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 1999-07-01
Anticipated expiration: 2017-12-11
Also published as: WO1999030114A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur magnetischen Ab standsmessung zur Überwachung des Abstandes zwischen einem Objekt und einem Organ, das mit Zähnen aus Permanentmagneten besetzt ist (aktives Organ) oder das aus ferromagnetischem Material besteht (passives Organ). Bevorzugtes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist die Überwachung der Distanz zwischen einem ferromagnetischen gezahnten Polrad und einem magnetisch sensitiven, in unmittelbarer Nähe des Polrades positionierten Sensor zur Ermittlung von Drehzahl, Geschwindig keit, Weg, Beschleunigung und Drehrichtung des Polrades.

Stand der Technik

Für die berührungslose Erfassung der Drehbewegung eines ferro magnetischen oder permanentmagnetischen Zahnrades werden Sensoren mit magneto-elektrischen Wandlern verwendet, die die Bewegung des Zahnrads in Form von Feldstärke änderungen erfassen und in elektrische Signale umwandeln (DE 30 41 041 C2). In der Praxis werden diese magneto-elektrischen Wandler sehr dicht an dem Zahnrad positioniert, um eine hohe Störfestigkeit, beispielsweise gegen äußere magnetische Störfel der, zu gewährleisten. Typische Abstände liegen im Bereich von 0,1 bis 1,5 mm. Bei diesen geringen Abständen besteht leicht die Gefahr, daß der Sensor unbemerkt beschädigt wird, beispielsweise aufgrund von Verschleißerscheinungen in den Achslagern, die das Polrad tragen. Insbesondere im dynamischen Betriebszustand von z. B. Schienenfahrzeugen ist es wichtig, den sich ändernden Ab stand zu kennen, um eine unbemerkte Beschädigung des Sensors und damit dessen Ausfall zu verhindern (Sicherheitsaspekt). Die Ab standsbestimmung wird zur Zeit am ruhenden Zahnrad mit einer Fühlerlehre (Spion) abhängig vom individuellen Gefühl des Prü fers (satter, aber nicht klemmender Sitz der Fühlerlehre) entsprechend ungenau durchgeführt. Außerdem ist es hierzu erforderlich, ein oder mehrere Teile zu demontieren, bis das Zahnrad zugänglich ist.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der der Abstand zwischen einem Sensor und einem Polrad sowohl im Ruhezustand als auch im dynamischen Betriebszustand in einfacher Weise gemessen und überwacht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun gen und Weiterbildungen sind mit den Merkmalen der Unteransprü che 2 bis 11 gekennzeichnet. Die Ausbildung der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 3 hat den Vorteil, daß von dem magneto- elektrischen Wandler im Betriebszustand, d. h. bei Anordnung des Objekts im Sollabstand, kein Meßsignal erzeugt wird, da sich die für die Signalerzeugung verantwortlichen radialen Anteile des magnetischen Feldes über die Gesamtheit der magnetfeldempfindli chen Fläche gegenseitig aufheben. Diese Ausgestaltung hat den zusätzlichen Vorteil, daß die magneto-elektrischen Wandler durch den Betrieb im Nullabgleich auch thermisch das stabilste Verhal ten zeigen. Die Ausgestaltung nach einem der Unteransprüche 9 bis 11 hat den besonderen Vorteil, daß man mit nur einem Perma nentmagneten auskommt, um einerseits die Bewegung des Polrades mit magneto-elektrischen Wandlern zu erfassen und damit anderer seit durch den in der neutralen Zone angebrachten weiteren magneto-elektrischen Wandler der Abstand zwischen dem Sensor und dem Polrad überwacht werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein ferromagnetisches gezahntes Organ 1, beispiels weise ein Zahnrad oder eine Zahnstange, welches in Richtung des Pfeils 2 beweglich ist. In einem Abstand d_p von den Zähnen 3 ist ein Permanentmagnet 4 angeordnet, dessen eine Polfläche, z. B. die N-Polfläche, den Zähnen zugewandt ist und einen Sensor 5 zur Erfassung der Bewegung des Organs 1 trägt. Der Sollabstand des Sensors 5 von den Zähnen 3 ist mit d₀ bezeichnet. Im Betriebszustand, d. h. während der Bewegung des Organs 1, ist darauf zu achten, daß der Abstand d des Sensors 5 von den Zähnen 3 einen vorgebbaren Minimalwert d_min nicht unter- und einen vorgebbaren Maximalwert d_max nicht überschreitet. Bei Unter schreiten des Minimalwertes besteht die Gefahr, daß der Sensor 5 mit den Zähnen 3 in Berührung kommt und beschädigt wird, so daß in der Regel der gesamte Meßkopf ausgetauscht werden muß. Bei überschreite n des Maximalwertes läßt die Genauigkeit der Meß werterfassung mit dem Sensor 5 in nicht mehr vertretbarem Umfang nach. Der Sensor 5 besteht z. B. aus zwei magneto-elektrischen Wandlerpaaren 6 und 7, die elektrisch als Doppelbrückenschaltung ausgebildet sind. Ein derartiger Sensor ist an sich bekannt und in der DE 30 41 041 C2 beschrieben. Die neutrale Zone 8, die bei einem freien Permanentmagneten in der Regel in dessen Mitte liegt, ist vorliegend durch den starken Einfluß des in unmittelbarer Nähe befindlichen ferromagnetischen Organs 1 etwas nach oben verschoben (in Fig. 1 übertrieben dargestellt). In dieser neutralen Zone 8 ist ein weiterer elektromagnetischer Wandler 9, beispielsweise ein Hall-Generator, so angebracht, daß seine magnetfeldempfindliche Fläche parallel zur Tangentialkomponente des magnetischen Feldes des Permanentmagneten ausgerichtet ist. Aufgrund der Positiorierung in der neutralen Zone heben sich die radialen Anteile des magnetischen Feldes, die bei dem Wandler 9 allein für die Signalerzeugung verantwortlich sind, über die Gesamtheit der magnetfeldempfindlichen Fläche gegenseitig auf, so daß das Aussgangssignal also Null ist. Durch den Betrieb des Wandlers um den Nullpunkt weist dieser auch thermisch das stabilste Verhalten auf. In der Regel erfolgt die Positionierung des Wandlers 9 auf dem Permanentmagneten in der Weise, daß der Permanentmagnet in einem Abstand d von einem rotierenden Polrad (Testpolrad) gehalten wird, der einem Sollabstand d₀ des Sensors 5 von den Zähnen 3 entspricht und daß der Wandler 9 unter Beobachtung seines Ausgangssignals in der Position an dem Permanentmagneten befestigt wird, in der das Ausgangssignal Null ist, der Wandler 9 sich also in der neutralen Zone 8 befindet.

Wird die gesamte Anordnung aus Permanentmagnet 4, Sensor 5 und Wandler 9 dem Organ 1 angenähert (Abstand kleiner als Sollabstand d₀), so bewirkt dies eine Verschiebung der neutralen Zone 8 und somit ein vorzeichenbehaftetes, betragsmäßig ansteigendes Ausgangssignal an dem Wandler 9. Wird die Anordnung von dem Organ 1 entfernt (Abstand größer als Sollabstand d₀), wird das Vorzeichen des Ausgangssignals umgekehrt. Daher kann allein aus dem Vorzeichen des Ausgangssignals entnommen werden, ob sich der Abstand zwischen dem Sensor 5 und dem Organ 1 verringert oder vergrößert. Die Kurve 1 in Fig. 2 zeigt schematisch den Verlauf des Ausgangssignals des Wandlers 9, z. B. die Ausgangsspannung U_H eines Hall-Generators, in Abhängigkeit vom Abstand d des Sensors 5 von den Zähnen 3. Beim Sollabstand d₀ befindet sich der Wandler 9 in der neutralen Zone 8 und U_H ist gleich Null. Bei einer Verringerung des Abstandes nimmt der Einfluß des ferromagnetischen Organs 1 zu, was zu einer Verschiebung der neutralen Zone 8 in Richtung des Nordpols führt. Da sich der Wandler 9 dann außerhalb der neutralen Zone befindet, wird ein Ausgangssignal U_H < 0 erzeugt. Bei weiterer Annäherung nimmt der Wert von U_H betragsmäßig zu bis zu einem Endwert U_H(d = 0). Bei einer Vergrößerung des Abstandes nimmt der Einfluß des ferromagnetischen Organs 1 ab, was zu einer Verschiebung der neutralen Zone 8 in Richtung des Südpols führt. Der Wandler 9 befindet sich wieder außerhalb der neutralen Zone und ein Ausgangssignal U_H< 0 liegt vor. Mit zunehmender Entfernung schwindet der Einfluß des ferromagnetischen Organs 1 und ein Maximalwert U_H(d = ∞) wird erreicht. In diesem Fall befindet sich die neutrale Zone 8 in einer Position, wie sie bei einem freien Permanentmagneten vorliegt, also in der Regel in der Mitte, und der Wandler 9 befindet sich in seiner maximalen Entfernung von dieser neutralen Zone. Im Betriebszustand, also während der Bewegung des Organs 1 ist darauf zu achten, daß die Abweichungen des Abstandes d vom Sollwert d₀ die vorgegebenen Grenzwerte d_min und d_max nicht übersteigen. Dies geschieht in einfacher Weise durch die Überwachung des Ausgangssignals U_H des Wand lers 9.

Die Vorzüge der Erfindung zeigen sich auch beim Einbau einer Meßvorrichtung gemäß Fig. 1 in ein Fahrzeug, z. B. ein Schienen fahrzeug. Es ist nun nicht mehr erforderlich, ein oder mehrere Teile zu demontieren, um das Polrad für eine Fühlerlehre zugäng lich zu machen. Die Meßvorrichtung muß lediglich in eine dafür vorgesehene Halterung geschoben werden, wobei das Ausgangssignal U_H des Wandlers 9 zu beobachten ist. Bei U_H = 0 befindet sich die Meßvorrichtung im Sollabstand d₀ von dem Polrad und kann arretiert werden. Ob sich beim Einbau gegenüber der Meßvorrich tung ein Zahn 3 oder eine Zahnlücke befindet, ist von unterge ordneter Bedeutung, solange die Polfläche im Verhältnis zu den Abmessungen von Zahn und Zahnlücke groß genug ist, so daß die Position der neutralen Zone möglichst unbeeinflußt bleibt. In . der Praxis (Polrad nach DIN 867) sollte das Verhältnis von der Seitenlänge 1_p des Permanentmagneten 4 zum periodischen Zahnabstand 1_z nicht kleiner als 1,5 sein. Im Ergebnis wird damit eine sowohl statisch als auch dynamisch integrierende Abstandsmessung erzielt.

In Abwandlung zu dem bisher vorgestellten Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, den Wandler 9 in der neutralen Zone zu positionieren, wie sie in dem Permanentmagneten im ungestörten Zustand vorliegt. Dann ergibt sich der Verlauf des Ausgangssig nals U_H gemäß der Kurve 2 von Fig. 2. In diesem Fall beträgt U_H(d = ∞) = 0 und bei Annäherung der gesamten Anordung aus Perma nentmagnet 4, Sensor 5 und Wandler 9 an das Organ 1 wird die neutrale Zone 8 nach oben verschoben und das Ausgangssignal U_H nimmt betragsmäßig bis zu einem Endwert U_H(d = 0) stetig zu. Dem Sollabstand d₀ entspricht dann ein bestimmter Wert U_H(d = d₀). Entsprechendes gilt für die Grenzwerte dmin und d_max. Im Ergebnis ist der Verlauf des Ausgangssignals U_H identisch wie im ersten Ausführungsbeispiel. Die Kurve 2 ist lediglich nach unten verschoben und nähert sich für d → ∞ dem Grenzwert U_H (d = ∞) = 0. Da der Wandler 9 im Sollabstand d₀ nicht im Nullpunkt (U_H = 0) betrieben wird, ist die thermische Stabilität geringer als im ersten Ausführungsbeispiel.

Bezugszeichenliste

1

gezahntes Organ, z. B. Zahnrad oder Zahnstange

2

Bewegungsrichtung

3

Zähne

4

Permanentmagnet

5

Sensor zur Erfassung der Bewegung des Organs

1

6

,

7

magneto-elektrische Wandlerpaare

8

neutrale Zone

9

magneto-elektrischer Wandler zur Überwachung des Abstandes des Sensors

5

zum Organ

1

Claims

1. Vorrichtung zur magnetischen Abstandsmessung zur Überwa chung des Abstandes zwischen einem Objekt und einem Organ, das mit Zähnen aus Permanentmagneten besetzt ist (aktives Organ) oder das aus ferromagnetischem Material besteht (passives Organ), bestehend aus einem Permanentmagneten, wenigstens einem magneto-elektrischen Wandler und einer Auswerteeinrichtung, wobei eine Polfläche des Permanentmagneten dem Organ zugewandt ist, wobei das Objekt mit dem Permanentmagneten ortsfest verbun den ist, und wobei der oder die magneto-elektrischen Wandler an einer Seitenfläche des Permanentmagneten positioniert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die magneto-elektrischen Wandler in der neutralen Zone positioniert ist oder sind, wie sie in dem Permanentmagne ten im ungestörten Zustand vorliegt, und daß die magnetfeldemp findliche Fläche des oder der Wandler parallel zur Tangential komponente des magnetischen Feldes des Permanentmagneten ausge richtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die magneto-elektrischen Wandler in der neutralen Zone positioniert ist oder sind, wie sie in dem Permanentmagne ten für einen vorgebbaren Abstand d₀ (Sollabstand) des Objekts von dem Organ vorliegt, und daß die magnetfeldempfindliche Fläche des oder der Wandler parallel zur Tangentialkomponente des magnetischen Feldes des Permanentmagneten ausgerichtet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Organ um eine Zahnstange oder ein Zahnrad (Polrad) handelt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als magneto-elektrischen Wandler Feldplat ten und/oder Hallgeneratoren vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung eine elektrische Brückenschaltung aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die magneto-elektrischen Wandler an dem Permanentmagneten befestigt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Objekt um einen Sensor zur Erfassung der Bewegung des Organs handelt, der auf der dem Organ zugewandten Polfläche des Permanentmagneten angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Sensor um einen oder mehrere magneto-elek trischen Wandler handelt, mit denen die Bewegung des Organs in Form von Feldstärkeänderungen erfaßbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den magneto-elektrischen Wandlern zur Bewegungs erfassung um Feldplatten und/oder Hall-Generatoren handelt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere magneto-elektrischen Wandler zur Bewegungserfassung mit einer elektrischen Brückenschaltung vorgesehen sind.