DE4341810A1 - Sensoreinrichtung zur Positionserkennung eines Kolbens - Google Patents
Sensoreinrichtung zur Positionserkennung eines KolbensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung für einen
einen bewegbaren Kolben enthaltenden Zylinder zur Posi
tionserkennung des Kolbens, mit einem am Kolben oder einem
mit dem Kolben verbundenen Element angeordneten Permanent
magneten, wobei wenigstens ein am Zylinder angeordneter
magnetfeldempfindlicher, eine Vorzugsrichtung aufweisender
Sensor bei Annäherung des Permanentmagneten anspricht.
Eine derartige Sensoreinrichtung zur Positionserkennung
eines Kolbens ist beispielsweise aus der DE-C 37 08 989
bekannt. Dort soll mittels derartiger Sensoreinrichtungen
insbesondere das Erreichen der Endpositionsbereiche durch
den Kolben überwacht werden. Mit den bekannten Sensor
einrichtungen kann zwar der Zeitpunkt erkannt und ange
zeigt werden, zu dem der Kolben gerade die Sensoreinrich
tung passiert, darüber hinaus verhält sie sich jedoch pas
siv und kann keinerlei Informationen über den Aufenthalts
ort des Sensors geben. Für viele Anwendungen ist es jedoch
wünschenswert, derartige Informationen zu erhalten, um
beispielsweise feststellen zu können, ob sich der Kolben
im einen oder anderen Endbereich befindet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher dar
in, eine Sensoreinrichtung der eingangs genannten Gattung
zu schaffen, die nicht nur das Erreichen der Sensorposi
tion durch den Kolben detektieren kann, sondern durch die
darüber hinaus festgestellt werden kann, ob sich der
Kolben auf der einen oder anderen Seite der Sensoreinrich
tung befindet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Permanentmagnet und der wenigstens eine Sensor so ausge
richtet sind, daß das Magnetfeld des Permanentmagneten
beim gegenseitigen Passieren an örtlich aufeinanderfolgen
den Stellen im wesentlichen parallel zur Vorzugsrichtung
des Sensors jeweils entgegengesetzt gerichtet auf diesen
einwirkt und dadurch zwei unterschiedliche Sensorreaktio
nen auslöst, wobei Mittel zur Speicherung dieser Sensor
reaktionen vorgesehen sind.
Bei jedem Passieren der Sensoreinrichtung durch den Kolben
bzw. den Permanentmagneten werden daher zwei unterschied
liche Sensorreaktionen, beispielsweise Sensorsignale, aus
gelöst, wobei jeweils die letzte gespeichert wird, so daß
die Mittel zur Speicherung einen unterschiedlichen Spei
cherinhalt aufweisen, je nachdem, ob sich der Kolben links
oder rechts von der Sensorposition befindet. Die Anwen
dungsmöglichkeiten der Sensoreinrichtung werden daher
durch einfache und kostengünstig realisierbare Maßnahmen
erheblich erweitert, wobei die ursprüngliche Funktion der
Positionserkennung bei in Passieren der Sensoreinrichtung in
unveränderter Weise beibehalten wird. Eine derartige Sen
soreinrichtung kann daher in bestimmten Fällen zwei Sen
soreinrichtungen oder eine aufwendige Erkennungslogik er
setzen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
im Anspruch 1 angegebenen Sensoreinrichtung möglich.
Um zu erreichen, daß das Magnetfeld des Permanentmagneten
beim Passieren der Sensoreinrichtung zweimal entgegenge
setzt gerichtet auf diese einwirkt, um die bei den unter
schiedlichen Sensorreaktionen auszulösen, wird entweder
die Nord-Süd-Achse des Permanentmagneten radial und die
Vorzugsrichtung des Sensors parallel zur Bewegungsrichtung
des Kolbens ausgerichtet, oder die Nord-Süd-Achse des Per
manentmagneten wird parallel zur Bewegungsrichtung des
Kolbens und die Vorzugsrichtung des Sensors radial ausge
richtet. Eine vorteilhafte Lösung zur elektrischen Spei
cherung der Sensorreaktionen besteht darin, daß der Sensor
ein magnetfeldempfindliches elektrisches Element besitzt,
das als Sensorreaktionen unterschiedliche elektrische Si
gnale erzeugt, wobei diesem magnetfeldempfindlichen Ele
ment ein elektrischer Signalspeicher nachgeschaltet ist.
Dieser elektrische Signalspeicher ist zweckmäßigerweise
als Komparator oder als bistabile Kippschaltung ausgebil
det, beispielsweise als Schmitt-Trigger. Insbesondere bei
einem hysteresebehafteten Komparator, wie einem Schmitt-
Trigger, ist ein besonderes sicheres Schaltverhalten ge
geben, da hier beim Oberschreiten einer höheren positiven
Schwelle eingeschaltet und beim Unterschreiten einer nied
rigeren negativen Schwelle ausgeschaltet wird. Die beiden
Signalzustände als Sensorreaktionen bleiben dabei ge
speichert. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung läßt
sich daher in einfacher und kostengünstiger Weise aus zwei
handelsüblichen Bauteilen herstellen.
Um zu verhindern, daß beim Wiedereinschalten der Anordnung
ein zufälliges Speichersignal vorliegt, wird entweder der
Signalspeicher ständig mit einer Betriebsspannung beauf
schlagt, oder es wird eine Fehlersignalstufe vorgesehen,
die nach dem Einschalten der Versorgungsspannung bis zum
erstmaligen Ansprechen des Sensors ein Fehlersignal
erzeugt. Dieses Fehlersignal weist daraufhin, daß das ge
speicherte Sensorsignal im Augenblick noch nicht korrekt
sein muß.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit einer magnetischen
Speicherung der Sensorreaktion besteht darin, daß der
Sensor als Signalspeicher ein magnetisierbares und um
magnetisierbares Element besitzt, das mit einem magnet
feldempfindlichen elektrischen Element in Wirkverbindung
steht, welches als Sensorreaktionen unterschiedliche elek
trische Signale erzeugt.
Die Mittel zur Wiedergabe der unterschiedlichen elektri
schen Signale können optische, akustische oder elektrische
Mittel sein.
Das magnetfeldempfindliche elektrische Element kann als
Hall-Element, als Feldplatte oder als Induktionsspule
ausgebildet sein.
Schließlich besteht auch noch eine vorteilhafte Möglich
keit, die Sensorreaktionen mechanisch zu speichern. Hier
bei weist der Sensor als Signalspeicher ein bewegbares
magnetisches oder magnetisierbares, vom Permanentmagneten
in seiner Position veränderbares Element auf. Vorzugsweise
ist das Element um eine Achse schwenkbar angeordnet, wobei
Mittel zum Festlegen der beiden Schwenkendpositionen vor
gesehen sind und der passierende Permanentmagnet diese
Mittel überwindet. An der jeweiligen Schwenkendposition
oder allgemein an der Position dieses bewegbaren Elements
kann dann abgelesen werden, auf welcher Seite der Sensor
einrichtung sich der Kolben befindet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kolben-
Zylinder-Einheit mit zwei Möglichkeiten der
Anordnung des am Kolben angeordneten Permanent
magneten und des am Zylinder angeordneten Sen
sors,
Fig. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung des Feldver
laufs im Sensor beim Passieren des Permanent
magneten,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine elektri
sche Signalspeicherung,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine magne
tische Signalspeicherung und
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine mecha
nische Signalspeicherung.
Gemäß Fig. 1 ist ein mit einer Kolbenstange 10 verbundener
Kolben 11 in einem Zylinder 12 verschiebbar angeordnet. Im
Kolben 11 ist im oberen Teil von Fig. 1 ein Permanentma
gnet 13 so eingelassen, daß seine Nord-Süd-Achse radial
ausgerichtet ist. Dabei entsteht das in den Außenraum
wirkende Magnetfeld 14. An der Außenseite des Zylinders 12
ist zur Positionserkennung ein Sensor 15 angeordnet, des
sen durch einen Doppelpfeil angedeutete Vorzugsrichtung
parallel zur Bewegungsrichtung des Kolbens 11, also in
axialer Richtung, angeordnet ist. Dieser Sensor 15 kann
prinzipiell auch in der Wandung des Zylinders 12 einge
lassen sein.
Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, wird der Sensor 15 beim
Passieren des Kolbens 11 bzw. des Permanentmagneten 13 im
Laufe einer nach rechts gerichteten Bewegung zunächst von
einem Magnetfeld durchdrungen, das nach rechts gerichtet
ist, und dann von einem Magnetfeld, das entgegengesetzt,
also nach links gerichtet ist. Die an örtlich aufeinander
folgenden Stellen des Kolbens 11 den Sensor 15 durchdrin
genden Feldlinien verlaufen dabei jeweils im wesentlichen
parallel zur Vorzugsrichtung dieses Sensors 15.
Im unteren Bereich von Fig. 1 ist eine alternative Anord
nung dargestellt. Ein Permanentmagnet 13a ist so in den
Kolben 11 eingelassen, daß seine Nord-Süd-Achse parallel
zur Bewegungsrichtung des Kolbens 11, also axial
verläuft. Dabei bildet sich ein Magnetfeld 14a aus. Ein
Sensor 15a ist außen am Zylinder 12 mit radial ausgerich
teter Vorzugsrichtung angeordnet.
Beim Passieren des Kolbens 11 bzw. des Permanentmagneten
13 im Laufe einer Bewegung nach rechts wird daher der
Sensor 15a zunächst von radial nach innen verlaufenden
Feldlinien des Magnetfelds und dann von radial nach außen
verlaufenden Feldlinien des Magnetfelds des Permanent
magneten 13a durchdrungen.
In Fig. 2 ist der Feldverlauf H im Sensor 15 bzw. 15a beim
Passieren des Permanentmagneten 13 bzw. 13a dargestellt.
Bei der Annäherung steigt das Magnetfeld zunächst bis zu
einem Maximum an, das dann erreicht wird, wenn die Feld
linien parallel zur Vorzugsrichtung des Sensors ihre größ
te Feldstärke erreichen. Danach fällt die Feldstärke steil
ab, bis die entgegengesetzt gerichteten Feldlinien kurz
darauf ein entgegengesetzt gerichtetes Maximum erreichen,
das sich in Fig. 2 als Minimum darstellt. Danach sinkt das
Magnetfeld mit zunehmender Entfernung des Permanentmagne
ten vom Sensor wieder ab und geht gegen Null.
In Fig. 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines solchen
Sensors 16 mit elektrischer Signalspeicherung und einer
Auswerteeinrichtung dargestellt. Dieser Sensor 16 kann an
stelle des Sensors 15 bzw. Sensors 15a treten, bei ent
sprechender Ausrichtung der Vorzugsrichtung.
Der Sensor 16 besteht aus einem Hall-Element 17, dessen
Signal einem Schmitt-Trigger 18 zugeführt ist. Die beiden
komplementären Ausgänge des Schmitt-Triggers 18 sind mit
Anzeigeleuchten 19, 20 verbunden. Weiterhin sind diese
beiden Ausgänge über ein ODER-Glied 21 einer bistabilen
Schaltstufe 22 zugeführt, deren zweiter Eingang durch ein
Einschaltsignal S bei in Einschalten der Versorgungsspannung
beaufschlagt ist. Ein Ausgang der bistabilen Schaltstufe
22 ist mit einer Fehlererkennungsleuchte 23 verbunden.
Beim Passieren des Permanentmagneten 13 wird im Hall-
Element 17 ein elektrisches Signal erzeugt, das im wesent
lichen proportional zur magnetischen Feldstärke ist, von
der das Hall-Element jeweils beaufschlagt ist. Das elek
trische Signal beim Passieren des Permanentmagneten 13 hat
somit einen Verlauf, der im wesentlichen dem der in Fig. 2
dargestellten Kurve entspricht. Der Schmitt-Trigger 18 be
sitzt eine obere positive Schaltschwelle Sp und eine
untere negative Schaltschwelle Sn. In der in Fig. 1 dar
gestellten Position des Kolbens 11 sei das Ausgangssignal
des Schmitt-Triggers 18 zur Steuerung der Anzeigeleuchte
19 zunächst als 1-Signal ausgebildet, so daß die Anzeige
leuchte 19 brennt und die Anzeigeleuchte 20 nicht einge
schaltet ist. An der Stelle X1 wird die untere Schalt
schwelle Sn unterschritten, so daß der Schmitt-Trigger um
schaltet, das heißt, die Anzeigeleuchte 19 erlischt, und
die Anzeigeleuchte 20 wird eingeschaltet. Das Leuchten der
Anzeigeleuchte 20 zeigt dann an, daß sich der Kolben jetzt
bezüglich Fig. 1 rechts vom Sensor befindet. Bei der ent
gegengesetzten Rückwärtsbewegung des Kolbens wird der
Schmitt-Trigger wieder umgeschaltet, wenn die obere
Schaltschwelle Sp überschritten wird. Dies bedeutet, daß
immer eine der beiden Anzeigeleuchten 19, 20 leuchtet und
somit angibt, auf welcher Seite des Sensors sich der
Kolben befindet. Gleichzeitig wird durch den Umschaltzeit
punkt die Position des Kolbens 11 am Sensor erkannt.
Anstelle der als einfaches Beispiel angegebenen Anzeige
vorrichtung durch zwei Anzeigeleuchten 19, 20 kann selbst
verständlich auch eine Auswertung über ein Anzeigeinstru
ment, einen Rechner, einen Drucker od. dgl. in entsprechen
der Weise erfolgen.
Beim Einschalten der Betriebsspannung befindet sich der
Schmitt-Trigger 18 entweder in einem Zufallszustand oder
in einem definierten Zustand, der jedoch nicht die Posi
tion des Kolbens 11 wiedergibt. Um diesen Zustand kennt
lich zu machen, wird beim Einschalten der Betriebsspannung
durch das Signal S die bistabile Schaltstufe 22 betätigt,
so daß die Fehlererkennungsleuchte 23 aufleuchtet. Erst
wenn der Schmitt-Trigger 18 das erste Mal auf Grund eines
Passierens des Permanentmagneten 13 schaltet, wird die bi
stabile Schaltstufe 22 über das ODER-Glied 21 rückgesetzt,
so daß die Fehlererkennungsleuchte 23 erlischt. Erst nach
Erlöschen der Fehlererkennungsleuchte 23 wird somit durch
die Anzeigeleuchten 19, 20 korrekt die Position des Kol
bens 11 wiedergegeben.
Anstelle des Hall-Elements 17 kann selbstverständlich
prinzipiell auch ein anderes magnetfeldempfindliches Ele
ment treten, beispielsweise eine Feldplatte oder eine In
duktionsspule. Weiterhin kann anstelle des Schmitt-
Triggers 18 ein anderer Komparator mit oder ohne Hysterese
oder eine bistabile Kippstufe treten.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten zweiten Ausführungsbei
spiel ist als Mittel zur Positionsspeicherung ein weich
magnetischer Kern 24 vorgesehen, der bei in Passieren des
Permanentmagneten 13 bzw. 13a magnetisiert bzw. ummagneti
siert wird. Der Magnetisierungszustand dieses weichmagne
tischen Kerns 24 wird durch ein Hall-Element 25 oder ein
anderes magnetfeldempfindliches Element erfaßt. Dessen
Ausgangssignal wird einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung
26 zugeführt, die in Abhängigkeit des erfaßten Magnetisie
rungszustandes die beiden Positionen des Kolbens links und
rechts vom Sensor darstellt. Da der Magnetisierungszustand
im weichmagnetischen Kern 24 erhalten bleibt, liegt beim
Einschalten der Versorgungsspannung sofort eine korrekte
Positionsangabe vor.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten dritten Ausführungsbei
spiel ist ein Stabmagnet 27 schwenkbar an einem Gelenk 28
angeordnet. In den beiden Schwenkendpositionen steht der
Stabmagnet 27 jeweils in elektrischem Kontakt mit einem
der beiden Endanschläge 29, 30. Diese Endanschläge 29, 30
sind mit den Anzeigeleuchten 19 und 20 jeweils verbunden,
deren zweiter Anschluß über eine Spannungsquelle 31 mit
dem Gelenk 28 elektrisch verbunden ist. Eine nicht darge
stellte Feder hält den Stabmagneten 27 jeweils federnd an
einem der beiden Endanschläge 29, 30, wobei die Federkraft
so bemessen ist, daß sie beim Passieren des Permanent
magneten 13 bzw. 13a überwunden wird.
Nimmt die Anordnung gemäß Fig. 5 die Position des Sensors
15a in Fig. 1 ein, so wird beim Passieren des Kolbens 11
bzw. des Permanentmagneten 13a der Stabmagnet 27 zunächst
zum Endanschlag 29 ausgelenkt und dann zum Endanschlag 30.
Dort nimmt er dann seine Position ein. Bei der Rückbewe
gung und beim Passieren des Kolbens 11 wird er dann wieder
zum Endanschlag 29 bewegt. Befindet sich also der Stab
magnet 27 am Endanschlag 30, was durch eine eingeschaltete
Anzeigeleuchte 20 kenntlich ist, so befindet sich der
Kolben 11 gemäß Fig. 1 rechts des Sensors 15a, und wenn
sich der Stabmagnet 27 am Endanschlag 29 befindet, so daß
die Anzeigeleuchte 19 brennt, dann befindet er sich links
des Sensors 15a.
Anstelle des schwenkbaren Stabmagneten 27 kann prinzipiell
auch ein an derer Permanentmagnet vorgesehen sein, der in
verschiedene Positionen beim Passieren des Kolbens 11 be
wegt werden kann, beispielsweise ein kolbenartig parallel
oder senkrecht zur Kolbenbewegung verschiebbarer Perma
nentmagnet. Auch das Kenntlichmachen der jeweiligen Posi
tion des Permanentmagneten bzw. Stabmagneten 20 kann in
verschiedener Weise erfolgen, wie dies im Zusammenhang mit
Fig. 3 bereits erläutert wurde.
Anstelle des Permanentmagneten 13a können selbstverständ
lich prinzipiell auch zwei nebeneinander angeordnete
radial ausgerichtete Permanentmagneten treten, die radial
nach außen unterschiedliche Magnetpole aufweisen.
Claims (14)
1. Sensoreinrichtung für einen einen bewegbaren
Kolben enthaltenden Zylinder zur Positionserkennung des
Kolbens, mit einem am Kolben oder einem mit dem Kolben
verbundenen Element angeordneten Permanentmagneten, wobei
wenigstens ein am Zylinder angeordneter magnetfeldempfind
licher, eine Vorzugsrichtung aufweisen der Sensor bei
Annäherung des Permanentmagneten anspricht, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Permanentmagnet (13, 13a) und der
wenigstens eine Sensor (15, 15a; 16; 24, 25; 27-30) so
ausgerichtet sind, daß das Magnetfeld (14, 14a) des
Permanentmagneten (13, 13a) beim gegenseitigen Passieren
an örtlich aufeinanderfolgenden Stellen im wesentlichen
parallel zur Vorzugsrichtung des Sensors (15, 15a; 16; 24,
25; 27-30) jeweils entgegengesetzt gerichtet auf diesen
einwirkt und dadurch zwei unterschiedliche Sensorreaktio
nen auslöst, wobei Mittel zur Speicherung dieser Sensor
reaktionen vorgesehen sind.
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Nord-Süd-Achse des Permanentmagneten
(13) radial und die Vorzugsrichtung des Sensors (15) par
allel zur Bewegungsrichtung des Kolbens (11) ausgerichtet
ist.
3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, die Nord-Süd-Achse des Permanentmagneten (13a)
parallel zur Bewegungsrichtung des Kolbens (11) und die
Vorzugsrichtung des Sensors (15a) radial ausgerichtet ist.
4. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (16) ein
magnetfeldempfindliches elektrisches Element (17) besitzt,
das als Sensorreaktionen unterschiedliche elektrische Si
gnale erzeugt und dem ein elektrischer Signalspeicher (18)
nachgeschaltet ist.
5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß der elektrische Signalspeicher (18) als Kom
parator oder als bistabile Kippschaltung ausgebildet ist.
6. Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der elektrische Signalspeicher (18) als
Schmitt-Trigger ausgebildet ist.
7. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Signalspeicher
(18) ständig mit einer Betriebsspannung beaufschlagt ist.
8. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Fehlersignalstufe (22)
vorgesehen ist, die nach dem Einschalten der Versorgungs
spannung bis zum erstmaligen Ansprechen des Sensors (16)
ein Fehlersignal erzeugt.
9. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als Signalspeicher
ein magnetisierbares und ummagnetisierbares Element (24)
besitzt, das mit einem magnetfeldempfindlichen elektri
schen Element (25) in Wirkverbindung steht, welches als
Sensorreaktionen unterschiedliche elektrische Signale er
zeugt.
10. Sensoreinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß das magnetisierbare und ummagnetisierbare
Element (24) als weichmagnetischer Kern ausgebildet ist.
11. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (19, 20) zur Wiedergabe
der unterschiedlichen elektrischen Signale vorgesehen sind.
12. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldempfindliche
elektrische Element (17; 25) als Hall-Element, als Feld
platte oder als Induktionsspule ausgebildet ist.
13. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als Signalspeicher
ein bewegbares magnetisches oder magnetisierbares, vom
Permanentmagneten (13, 13a) in seiner Position veränder
bares Element (27) aufweist.
14. Sensoreinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Element (27) um eine Achse schwenkbar
angeordnet ist, wobei Mittel zum Festlegen der beiden
Schwenkendpositionen vorgesehen sind und der passierende
Permanentmagnet (13, 13a) diese Mittel überwindet.
Priority Applications (4)
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