DE3844020C2

DE3844020C2 - Wegfühler mit mechanischen Getriebegliedern

Info

Publication number: DE3844020C2
Application number: DE19883844020
Authority: DE
Inventors: Vidal Fausto Crespo
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 1988-12-27
Filing date: 1988-12-27
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2008-12-28
Also published as: DE3844020A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wegfühler der Gattung nach Patentanspruch 1.

Solche Wegfühler sind als Baugruppen von Regel-, Steuer- und Absperrarmaturen bekannt und haben sich in der Praxis vielfach bewährt. Ihre Aufgabe besteht in der Regel darin, die geradlinige Bewegung der Antriebsstange eines Aktuators, z. B. eines Ventilantriebes zu erfassen und an eine zentrale Überwachungsstelle zu melden. Dies geschieht bisher z. B. mittels Differential-Transformatoren oder Schiebepotentio metern, bei denen die geradlinige Bewegung der Antriebsstange mittels geradgeführter Teile des Meßsystems, wie durch den Kern oder den Schleifer, erfaßt wird. Die Meßgröße, d. h. der Weg s, wird dabei mit ausreichender Genauigkeit linear infolge der Amplituden- bzw. der Widerstandsänderung in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt; vgl. Ch. Rohrbach, Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen, VDI Verlag Düsseldorf, 1967 Seiten 187-189 und 446/447.

Diese geradgeführten Meßsysteme haben jedoch für den praktischen Einsatz, insbesondere bei rauhen Umgebungsbe dingungen, wie in der verfahrenstechnischen Industrie, einige gravierende Nachteile. So ist z. B. eine Geradführung nur recht aufwendig gegen Feuchtigkeit und Staub so abzudichten, daß eine entsprechende Lebensdauer oder die gewünschte Anzahl von Bewegungen sicher erreicht wird. Außerdem ist eine mechanische Anpassung an den Wegmeßbereich nicht möglich, so daß bei reduzierten Meßbereichen mit schlechteren technischen Daten, - insbesondere hinsichtlich der Linearität, der Auflösung u. a. - gerechnet werden muß.

Aus diesen Gründen haben sich Meßsysteme mit drehender Eingangsbewegung durchgesetzt. Dabei wird die geradlinige Bewegung, z. B. der vorerwähnten Ventilstange, über einen Stift und einen Hebel in eine entsprechende Winkelbewegung umgewandelt; Ch. Rohrbach, Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen, VDI Verlag Düsseldorf, 1967, S. 446 "Kombinationsgeber".

Diese Winkelbewegung der Welle wird auf einfache Art und Weise mittels eines Rundschnurringes oder eines O-Ringes sehr langlebig und schmutzunempfindlich realisiert. Auch sind hierfür kapazitive Aufnehmer, Drehmelder, Drehpotentiometer usw. bekannt.

Nachteilig bei diesen Systemen ist aber die Tatsache, daß der Schwenkwinkel der Hebelwelle linear als elektrische Ausgangsgröße abgebildet wird und nicht die geradlinige Bewegung der Ventilstange.

Zwischen dem translatorischen Weg s und dem Winkel ϕ der Meßwelle besteht bekanntlich der Zusammenhang

wenn R der Abstand des punktförmig gedachten Auflagestiftes von der Drehachse ist und der Hebel für s=0 senkrecht zur Antriebsstange steht.

Die der arc-sin-Funktion entsprechende Nichtlinearität ist jedoch für viele Anwendungsfälle nicht akzeptabel. Eine entsprechende elektrische Kompensation ist aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wegmeßsystem für geradlinige Bewegungen zu schaffen, das trotz Hebelanlenkung und Drehdurchführung in ein Gehäuse ein lineares Meßsignal ergibt, ohne daß eine besondere mechanische und/oder elektrische Linearisierung vorzunehmen ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird also ein Sensor verwendet, dessen elektrische Ausgangsgröße gerade wieder der Umkehrfunktion des Hebelsystems, also gerade der Sinusfunktion entspricht. Vorteilhafterweise besteht ein derartiges System aus zwei Magneten und einem Hall-Sensor. Hall-Sensoren sind an sich bekannt, vgl. H. Völz, Elektronik, 1. Auflage, Berlin 1979, S. 247-251.

Bei derartigen Sensoren ist die Ausgangsspannung U_H, nämlich die Hall-Spannung entsprechend der Gleichung

U_H ∼ I · B (Gl. 2)

proportional dem Produkt aus Strom I und magnetischer Induktion B.

Wird das Hall-Plättchen entsprechend der Erfindung für s=0 mit seiner wirksamen Fläche parallel zu der magnetischen Induktion B_o im Feld befestigt, so verändert sich die wirksame Komponente der Induktion B_eff entsprechend der Gleichung

B_eff = B_o · sin ϕ. (Gl. 3)

Damit wird

und damit

Da = const ist, ist sofort zu erkennen, daß das Ausgangssignal U_H direkt proportional zum Weg s ist.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung können anstatt eines Hall-Sensors auch andere Sensoren verwendet werden, sofern diese die geforderte Eigenschaft bezüglich der Winkelfunktion aufweisen, z. B. optische, also Bestrahlungs-Sensoren.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zwar ist durch die DE 35 10 252 A1 bereits ein Hall-Sensor als Lagegeber für einen hydraulischen Arbeitszylinder bekanntgeworden, der in einem die Kolbenstange umgebenden Gehäuse angeordnet ist, das auf das kolbenseitige Ende des Arbeitszylinders aufgesetzt wird. Da bei dieser Anordnung mechanische Getriebeglieder, die eine Schwenkbewegung ausführen, fehlen, treten dort die der Erfindung zugrundelie gende Probleme nicht auf.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 den Funktionsaufbau eines Wegfühlers mit einem mechanische Getriebeglieder aufweisenden nichtlinearen Bewegungswandler und eines angelenkten Signalgebers, gemäß der Erfindung,

Fig. 2 den schematischen Aufbau eines als Signalgeber dienenden Hall-Sensors,

Fig. 3 die konstruktive Ausgestaltung eines als Signalgeber dienenden Hall-Sensors in Frontansicht,

Fig. 4 den Hall-Sensor teilweise geschnitten in Seitenansicht und

Fig. 5 den Hall-Sensor nach Fig. 3 teilweise geschnitten in Draufsicht.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sei vorab anhand der in den Fig. 1 und 2 dargestellten prinzipiellen Anordnung das zu lösende Problem beschrieben.

Der Wegfühler besteht aus einer Antriebsstange 1 (Fig. 1), einem Signalgeber 2 (Fig. 2) und einem Hebel 3. Das eine Ende des Hebels 3 liegt im dargestellten Beispiel mit einem daran befestigten Auflagestift unter Spannung einer Feder auf einer Führungsbahn auf, die senkrecht zur Achse der Antriebsstange 1 verläuft und die Position der Antriebsstange 1 definiert. Mit dem anderen Ende des Hebels 3 ist starr die drehbar gelagerte Meßwelle 6 des Signalgebers 2 verbunden, die um den Schwenkwinkel ϕ des Hebels 3 gegenüber der Senkrechten auf die Achse der Antriebsstange 1 verdreht ist, wenn die Antriebsstange 1 aus der durch diese Senkrechte definierten Nullage um die Strecke s verschoben ist. Der Signalgeber 2 gibt demgemäß den Drehwinkel der Meßwelle und somit den Schwenkwinkel ϕ des Hebels 3 nicht aber ein dem Verschiebeweg s der Antriebsstange 1 lineares Ausgangssignal als Meßsignal ab.

Zwischen dem translatorischen Weg s und dem Winkel ϕ der Meßwelle besteht gemäß Fig. 1 der eingangs erwähnte Zusammenhang

wenn R der Abstand des (punktförmig gedachten) Auflagestiftes auf der Auflagebahn von der Drehachse der Meßwelle ist und wenn der Hebel 3 für s=0 senkrecht zur Antriebsstange 1 steht.

Um die der arc-sin-Funktion entsprechende Nichtlinearität zu kompensieren, ist ein nichtlinearer Sensor als Signalgeber verwendet, dessen elektrisches Ausgangssignal sich in umgekehrter Weise zum Bewegungswandler und somit nach dem sin ϕ ändert.

Ein solcher Signalgeber besteht, wie Fig. 2 zeigt, aus den beiden Magnetpolen 7 und 8 und dem dazwischenliegenden Hall- Sensor 9, der mit der Meßwelle 6 des Signalgebers 2 in Fig. 1 verbunden und um den Drehwinkel ϕ verdreht ist. Als Ausgangsspannung wird die Hallspannung

U_H ∼ I · B (2)

geliefert, die somit dem Produkt aus Strom und magnetischer Induktion proportional ist.

Wird das Hall-Plättchen entsprechend dem Erfindungsgedanken für s=0 mit seiner wirksamen Fläche parallel zu der magnetischen Induktion B_o im Feld befestigt, so verändert sich die wirksame Komponente B_eff der Induktion B_o gemäß Fig. 2 nach der Gleichung (3)

B_eff = B_o · sin ϕ.

Damit wird

und damit

Da = const ist, kann man erkennen, daß das Ausgangssignal U_H direkt proportional zum Weg s ist. Auch für den Fall, daß der Hebel 3 über einen direkt an der Antriebsstange 1 befestigten Stift angelenkt wird, führt ein Sensor der vorgeschlagenen Art zu einer merklichen Verringerung des Linearitätsfehlers. Dann gilt allerdings

wenn L der zur Bewegungsrichtung senkrechte Abstand zwischen dem Angriffspunkt des Stiftes und der Drehachse der Meßwelle ist. Diese Funktion wird durch den Sinus-Verlauf des eigentlichen Sensors zwar nicht vollständig kompensiert, doch ist der Fehler in jedem Falle wesentlich geringer als bei einem Sensor mit linearer Zuordnung des Winkels ϕ zum Ausgangssignal.

In den Fig. 3 bis 5 ist eine konstruktive Ausführung eines realisierten Sensors dargestellt. Dabei steht die Hall-Platte 9 fest, da sie durch eine vorgespannte Feder 10 über einen Trägerhebel 11 an einen ortsfesten Anschlag 12 im nur angedeuteten Gehäuse 13 gedrückt wird. Die Drehbewegung des nicht dargestellten Meßhebels wird hier über die Meßwelle 6, auf der ein glockenförmiger Träger 15 mittels eines Flansches 16 befestigt ist, auf die Magnete 17, 18 übertragen. In der Mittelstellung verlaufen erfindungsgemäß die Feldlinien der Magnete 17 und 18 parallel zur wirksamen Oberfläche der Hall- Platte 9.

Durch diese kraftschlüssige Halterung des Hall-Platten-Trägers wird auf einfache Weise eine wirksame Temperatur- Kompensation erreicht.

Claims

1. Wegfühler mit nichtlinear arbeitenden mechanischen Getriebegliedern (1, 4) zum Umformen einer linearen Bewegung einer Antriebsstange (1), z. B. eines Antriebes für Regel-, Steuer- oder Absperrarmaturen, in eine entsprechende Drehbewegung, und mit einem Signalgeber (2), der ein der Drehbewegung entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, wobei als Signalgeber (2) ein Hallgeber (2) dient, dessen Nichtlinearität der Nichtlinearität der mechanischen Getriebeglieder (1, 4) zwecks Kompensation der Nichtlinearität der Getriebeglieder (1, 4) entgegengesetzt ist, so daß das elektrische Signal direkt proportional zum Weg der linearen Bewegung ist.

2. Wegfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hallgeber (2) aus einer Hall-Platte (9) und zwei Magneten (7, 8, 17, 18) besteht, wobei entweder die Hal-Platte (9) gegenüber den beiden feststehenden Magneten (7, 8) oder die beiden Magnete (17, 18) gegenüber der feststehenden Hall-Platte (9) verdrehbar angeordnet sind und daß die beiden Magnete (7, 8, 17, 18) so angeordnet sind, daß in der neutralen Mittelstellung der Hall-Platte (9) deren wirksame Fläche parallel zu den magnetischen Feldlinien zwischen den beiden Polen der Magnete (7, 8, 17, 18) ausgerichtet ist.

3. Wegfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung der geradlinigen Bewegung der Antriebsstange (1) in eine Drehbewegung der Hall-Platte (9) mittels eines am Hallgeber (2) angeordneten und über einen Abtaststift (4) an die Antriebsstange (1) angelenkten oder auf der Antriebsstange (1) abgestützten Hebel (3) erfolgt.

4. Wegfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platte (9) auf einem an einer Meßwelle (6) drehbeweglichen Trägerhebel (11) gelagert ist, der kraftschlüssig (Anschlag 12, Feder 10) in seiner Ruhelage gehalten ist.