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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Es sind Winkelsensoren bekannt, die beispielsweise auf magnetischem Prinzip beruhen. An einem Drehgelenk zwischen zwei Schenkeln wird hierzu an dem Drehpunkt beispielsweise ein Magnet montiert, der sich bei einer Bewegung gegenüber dem Winkelsensor dreht und von dem Winkelsensor erfasst wird. Der Winkelsensor erfasst die Rotation des Magneten und gibt eines dem Drehwinkel proportionales Ausgangssignal ab.
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Die Montage muss prinzipbedingt immer am Drehgelenk erfolgen. Eine mechanische Adaption ist daher vorgegeben. Nicht nur der Winkelsensor muss unmittelbar am Drehgelenk sitzen, sondern auch der Gebermagnet. Der Abstand zwischen Magnet und Winkelsensor ist vorgegeben und darf meist nur wenige Millimeter betragen. Die Ausrichtung zwischen Sensor und Magnet lässt nur kleine mechanische Toleranzen zu.
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Eine Winkelmessung mit lagebasierten Sensoren ist ebenfalls bekannt und kommt zum Beispiel an Baggerarmen zum Einsatz, um eine genaue Position eines Baggerlöffels in Bezug zur Bodenoberfläche zu erfassen. Hierbei wird an jedem einzelnen beweglichen Arm des Baggers ein Lagesensor eingesetzt, welche dann in einer zentralen Steuerung ausgewertet werden.
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Hier ist nachteilig eine zentrale Steuereinheit notwendig. Die Steuereinheit wird meist im Komplettsystem angeboten und ist somit teuer und für den Endkunden unflexibel.
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Möchte der Anwender nur den Winkel zweier Schenkel messen, ist die Lösung sehr aufwändig.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Winkel zwischen zwei zueinander drehbaren Schenkeln einfacher zu erfassen.
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Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein System mit einem Sensorsystem mit mindestens einem ersten Sensor in einem ersten Sensorgehäuse und mindestens einem zweiten Sensor in einem zweiten Sensorgehäuse, wobei die Sensoren über eine Schnittstelle miteinander verbunden sind, wobei in einem der Sensorgehäuse eine gemeinsame Steuer- und Auswerteeinheit für den ersten Sensor und den zweiten Sensoren angeordnet ist, wobei die Sensoren berührungslose Winkelmesssensoren sind, wobei die Sensorgehäuse beabstandet zueinander an jeweils einem beweglichen Schenkel angeordnet sind.
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Die Winkelmessung erfolgt damit indirekt und muss nicht direkt am Drehgelenk erfolgen. Die Sensorgehäuse bzw. die Sensoren können dabei jeweils beabstandet zu einem Drehgelenk der beiden Schenkel angeordnet sein. Die Sensoren bzw. Sensoreinheiten können an quasi beliebigen Positionen auf den zwei zueinander beweglichen Schenkeln montiert werden.
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In der Steuer- und Auswerteeinheit werden die Informationen des ersten Sensors und des zweiten Sensors ausgewertet. Die Abweichung von der einen Lage in dem ersten Sensor zur anderen Lage in dem zweiten Sensor ergibt den Winkel mit der die Sensoren bzw. Sensorgehäuse und somit die Schenkel zueinander stehen. Der Winkel ist unabhängig der Gesamtlage der beiden Sensoren bzw. Sensoreinheiten, da lediglich die relative Lage von der einen zur anderen Sensoreinheit bewertet wird.
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Es können optional auch mehr als zwei Sensoren bzw. Sensoreinheiten, also eine Vielzahl von Sensoren mit jeweils Sensorgehäusen aneinandergereiht und miteinanderverbunden werden, so dass alle Sensoren mit einer einzigen gemeinsamen Steuer- und Auswerteeinheit verbunden sind, um die Winkelstellung weiterer Gelenke zu ermitteln und direkt auszugeben.
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Die Sensoren stellen beispielsweise außer dem Drehwinkel auch die Lage des Gesamtsystems in Bezug zur Erdachse zur Verfügung. Damit könnte beispielsweise ermittelt werden, ob eine absolute Lageabweichung der einzelnen Schenkel oder einer ganzen Anlage stattgefunden hat. Damit stehen Zusatzinformation über die Lage und damit den Zustand der Anlage zur Verfügung.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt eine einfache Montage, da die Messung und die Anordnung der Sensoren nicht am Drehgelenk direkt erfolgen muss. Weiter müssen keine engen mechanischen Toleranzen eingehalten werden. Vielmehr können die Sensoren nahezu in beliebiger Anordnung bzw. Lage an den Schenkeln angeordnet werden. Die Montageposition an den Schenkeln kann fast beliebig gewählt werden.
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Die Erfindung erlaubt eine einfache Inbetriebnahme ohne notwendige Kenntnisse bei der Berechnung des Winkels anhand von Lageinformationen. Es wird bereits der Winkel der beiden Schenkel zueinander durch die Steuer- und Auswerteeinheit ausgegeben.
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Das System ist robust gegenüber Verschmutzungen, da die Winkelmessung gekapselt in den Sensorgehäusen erfolgt.
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In Weiterbildung der Erfindung weist der Winkelmesssensor mindestens drei Beschleunigungssensoren auf, wobei die Beschleunigungssensoren für drei zueinander orthogonale Achsen vorgesehen sind und/oder drei Gyrometer angeordnet sind für drei zueinander orthogonale Achsen. Damit kann die Lage der Sensorgehäuse im Raum eindeutig festgestellt werden. Ein Beschleunigungssensor ist ein Sensor, der seine Beschleunigung misst. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass die auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft bestimmt wird. Somit kann bestimmt werden, ob eine Geschwindigkeitszunahme oder-abnahme stattfindet.
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In den letzten Jahren haben miniaturisierte Beschleunigungssensoren zunehmend Bedeutung erlangt. Diese sind mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) und werden meist aus Silicium hergestellt. Diese Sensoren sind Feder-Masse-Systeme, bei denen die „Federn“ nur wenige µm breite Silicium-Stege sind und auch die Masse aus Silicium hergestellt ist. Durch die Auslenkung bei Beschleunigung kann zwischen dem gefedert aufgehängten Teil und einer festen Bezugselektrode eine Änderung der elektrischen Kapazität gemessen werden.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Sensorsystem mindestens ein Magnetometer auf.
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Ein Magnetometer, umgangssprachlich auch als Teslameter oder Gaußmeter bezeichnet, ist eine sensorische Einrichtung zur Messung magnetischer Flussdichten. Magnetische Flussdichten werden in der Einheit Tesla (T) gemessen, und übliche Messbereiche von Magnetometern bewegen sich in einem Größenbereich von circa 10 Tesla bis 15 Tesla. Wegen des großen Wertebereiches kommen unterschiedliche Messverfahren unter dem Begriff „Magnetometer“ zum Einsatz. Beispielsweise sind Hall-Sensoren bevorzugte Magnetometer. Mit dem Magnetometer kann die Lage zu dem Erdmagnetfeld ermittelt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Schnittstelle eine drahtgebundene oder drahtlose Schnittstelle. Eine drahtgebundene Schnittstelle besteht beispielsweise aus einer Leitung oder einem Kabel zwischen den Sensorgehäusen. Weiter ist beispielsweise eine drahtgebundene Schnittstelle von dem Sensorgehäuse mit der Steuer- und Auswerteeinheit zur Weiterleitung des Ausgangssignals vorgesehen. Bei der drahtlosen Schnittstelle kann es sich um eine Funkschnittstelle, beispielsweise eine Bluetooth-Schnittstelle oder Ähnliches handeln. Beispielsweise ist eine Funkschnittstelle von dem Sensorgehäuse mit der Steuer- und Auswerteeinheit zur Weiterleitung des Ausgangssignals vorgesehen.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Sensorsystem einen digitalen und/oder analogen Ausgang auf. Bei dem digitalen Ausgang kann es sich beispielsweise um einen digitalen Schaltausgang handeln. Jedoch kann auch eine digitale Schnittstelle zur Ausgabe der Messwert vorgesehen sein. Beispielsweise handelt es sich bei der digitalen Schnittstelle um eine I/O-Link Schnittstelle. Weiter kann der digitale Ausgang durch ein gängiges Bussystem gebildet sein. Bei dem analogen Ausgang kann es sich beispielsweise um eine Schnittstelle mit beispielsweise einem Stromausgang von 4 bis 20 mA handeln.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Sensorsystem Vibrationssensoren auf. Die Vibrationssensoren können beispielsweise durch die Beschleunigungssensoren gebildet sein. Durch die Vibrationssensoren können mechanische Schwing-/Schockbelastungen detektiert werden und so beispielsweise unzulässige mechanische Belastungen angezeigt und ausgegeben werden.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Sensorsystem Temperatursensoren auf. Durch die Temperatursensoren können Messkorrekturen auf Basis von der erfassten Temperatur durchgeführt werden. Weiter können die erfassten Temperaturwerte auf dem Ausgang ausgegeben werden.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Sensorsystem mindestens einen Speicher, mindestens Mittel zum Einlernen von Winkelwerten und mindestens eine Vergleichseinheit auf, um die gemessenen Winkel mit den gespeicherten Winkeln zu vergleichen und abhängig von dem Vergleich Signale auf dem Ausgang auszugeben.
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Dadurch sind die Sensoren einlernbar bzw. teachbar. Dabei kann beispielsweise ein Ausgabewert zu einer Grundposition festgelegt werden. Beispielsweise kann ein Nullpunkt festgelegt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
- 1 bis 4 jeweils ein Sensorsystem.
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In den nachfolgenden Figuren sind identische Teile mit identischen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein System 1 mit einem Sensorsystem 2 mit mindestens einem ersten Sensor 3 in einem ersten Sensorgehäuse 4 und mindestens einem zweiten Sensor 5 in einem zweiten Sensorgehäuse 6, wobei die Sensoren 3, 5 über eine Schnittstelle 7 miteinander verbunden sind, wobei in einem der Sensorgehäuse 6 eine gemeinsame Steuer- und Auswerteeinheit 8 für den ersten Sensor 3 und den zweiten Sensor 5 angeordnet ist, wobei die Sensoren 3, 5 berührungslose Winkelmesssensoren 9 sind, wobei die Sensorgehäuse 4, 6 beabstandet zueinander an jeweils einem beweglichen Schenkel 10, 11 angeordnet sind.
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Die Schenkel 10, 11 sind beispielsweise über ein Drehgelenk 13 miteinander verbunden. Die Sensorgehäuse 4, 6 bzw. die Sensoren 3, 5 sind dabei jeweils beabstandet zu dem Drehgelenk 13 der beiden Schenkel 10, 11 angeordnet. Die Sensoren 3, 5 bzw. Sensoreinheiten können an quasi beliebigen Positionen auf den zwei zueinander beweglichen Schenkeln 10, 11 montiert werden.
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In der Steuer- und Auswerteeinheit 8 werden die Informationen des ersten Sensors 3 und des zweiten Sensors 5 ausgewertet. Die Abweichung von der einen Lage in dem ersten Sensor 3 zur anderen Lage in dem zweiten Sensor 5 ergibt den Winkel mit der die Sensoren 3, 5 bzw. Sensorgehäuse 4, 6 und somit die Schenkel 10, 11 zueinander stehen. Der Winkel ist unabhängig von der Gesamtlage der beiden Sensoren 3, 5 bzw. Sensoreinheiten, da lediglich die relative Lage von dem einen Sensor zu dem anderen Sensor bewertet wird.
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Es können gemäß 2 optional auch mehr als zwei Sensoren 15 bzw. Sensoreinheiten, also eine Vielzahl von Sensoren 15 mit jeweils Sensorgehäusen 14 aneinandergereiht und miteinanderverbunden werden, so dass alle Sensoren 14 mit einer einzigen gemeinsamen Steuer- und Auswerteeinheit 8 verbunden sind, um die Winkelstellung weitere Drehgelenke 13 zu ermitteln und direkt auszugeben.
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Die Sensoren 15 stellen beispielsweise außer dem Drehwinkel auch die Lage des Gesamtsystems in Bezug zur Erdachse zur Verfügung. Damit könnte beispielsweise ermittelt werden, ob eine absolute Lageabweichung der einzelnen Schenkel 16 oder einer ganzen Anlage stattgefunden hat. Damit stehen Zusatzinformation über die Lage und damit den Zustand der Anlage zur Verfügung.
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Die Sensoren 15 können nahezu in beliebiger Anordnung bzw. Lage an den Schenkeln 16 angeordnet werden. Die Montageposition an den Schenkeln 16 kann fast beliebig gewählt werden.
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Der Winkelmesssensor 9 weist optional mindestens drei Beschleunigungssensoren auf, wobei die Beschleunigungssensoren für drei zueinander orthogonale Achsen vorgesehen sind und/oder drei Gyrometer angeordnet sind für drei zueinander orthogonale Achsen. Damit kann die Lage der Sensorgehäuse im Raum eindeutig festgestellt werden.
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Gemäß 3 weist das Sensorsystem 2 mindestens ein Magnetometer 12 auf.
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Gemäß 3 ist die Schnittstelle 7 eine drahtgebundene Schnittstelle 7. Eine drahtgebundene Schnittstelle 7 besteht beispielsweise aus einer Leitung oder einem Kabel zwischen den Sensorgehäusen. Weiter ist beispielsweise eine drahtgebundene Schnittstelle von dem Sensorgehäuse 6 mit der Steuer- und Auswerteeinheit 8 zur Weiterleitung des Ausgangssignals vorgesehen.
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Gemäß 4 ist eine drahtlose Schnittstelle 7 vorgesehen. Bei der drahtlosen Schnittstelle 7 kann es sich um eine Funkschnittstelle, beispielsweise eine Bluetooth-Schnittstelle oder Ähnliches handeln. Beispielsweise ist eine Funkschnittstelle von dem Sensorgehäuse 6 mit der Steuer- und Auswerteeinheit 8 zur Weiterleitung des Ausgangssignals vorgesehen.
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Beispielsweise weist das Sensorsystem 2 einen digitalen und/oder analogen Ausgang auf. Bei dem digitalen Ausgang kann es sich beispielsweise um einen digitalen Schaltausgang handeln. Jedoch kann auch eine digitale Schnittstelle zur Ausgabe der Messwerte vorgesehen sein. Beispielsweise handelt es sich bei der digitalen Schnittstelle um eine I/O-Link Schnittstelle. Weiter kann der digitale Ausgang durch ein gängiges Bussystem gebildet sein. Bei dem analogen Ausgang kann es sich beispielsweise um eine Schnittstelle mit beispielsweise einem Stromausgang von 4 bis 20 mA handeln.
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Beispielsweise weist das Sensorsystem 2 Vibrationssensoren auf. Die Vibrationssensoren können beispielsweise durch die Beschleunigungssensoren gebildet sein. Durch die Vibrationssensoren können mechanische Schwing-/Schockbelastungen detektiert werden und so beispielsweise unzulässige mechanische Belastungen angezeigt und ausgegeben werden.
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Beispielsweise weist das Sensorsystem 2 Temperatursensoren auf. Durch die Temperatursensoren können Messkorrekturen auf Basis von der erfassten Temperatur durchgeführt werden. Weiter können die erfassten Temperaturwerte auf dem Ausgang ausgegeben werden.
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Beispielsweise weist das Sensorsystem 2 mindestens einen Speicher, mindestens Mittel zum Einlernen von Winkelwerten und mindestens eine Vergleichseinheit auf, um die gemessenen Winkel mit den gespeicherten Winkeln zu vergleichen und abhängig von dem Vergleich Signale auf dem Ausgang auszugeben.
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Bezugszeichen:
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- 1
- System
- 2
- Sensorsystem
- 3
- erster Sensor
- 4
- erstes Sensorgehäuse
- 5
- zweiter Sensor
- 6
- zweites Sensorgehäuse
- 7
- Schnittstelle
- 8
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 9
- Winkelmesssensoren
- 10
- Schenkel
- 11
- Schenkel
- 12
- Magnetometer
- 13
- Drehgelenk
- 14
- Sensorgehäuse
- 15
- Sensor
- 16
- Schenkel
