WO2002066931A1 - Sensoranordnung zur erfassung der lage eines elektromagnetisch bewegten ankers - Google Patents

Sensoranordnung zur erfassung der lage eines elektromagnetisch bewegten ankers Download PDF

Info

Publication number
WO2002066931A1
WO2002066931A1 PCT/DE2002/000482 DE0200482W WO02066931A1 WO 2002066931 A1 WO2002066931 A1 WO 2002066931A1 DE 0200482 W DE0200482 W DE 0200482W WO 02066931 A1 WO02066931 A1 WO 02066931A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coil
measuring
sensor arrangement
voltage
armature
Prior art date
Application number
PCT/DE2002/000482
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Schempp
Ulrich Müller
Peter Sautter
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2002066931A1 publication Critical patent/WO2002066931A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/2006—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the self-induction of one or more coils
    • G01D5/2013—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the self-induction of one or more coils by a movable ferromagnetic element, e.g. a core
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/243—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the phase or frequency of ac
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/185—Monitoring or fail-safe circuits with armature position measurement

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for detecting the position of an electromagnetically moved armature according to the preamble of the main claim.
  • a stroke position is detected in a lifting magnet in such a way that a magnetic circuit is formed with an additional measuring winding and the movable armature of the lifting magnet.
  • the measuring winding is fed with an alternating voltage and the inductive resistance of the measuring winding, which is dependent on the position of the armature, is then evaluated for the detection of the stroke position.
  • the core of the electromagnet mechanically connected to a valve element or a valve slide reaches defined positions relative to the solenoid coil, in which the valve is either open or closed.
  • the detection of this switching position of the valves is important, for example, when monitoring machine movements caused by hydraulic or pneumatic actuators.
  • this known arrangement can be used to monitor the valve function in connection with the control of the machine for diagnostic purposes or for sequence control of various movements and other information technology tasks.
  • a pressure-tight mechanical coupling of a stroke measuring system to the magnetic core or to the coupled valve element should be possible without great technical effort.
  • an inaccurate detection can also take place if, for example, the magnetic core remains in a position in front of the actual positions (open, closed) due to contamination in the valve or due to a change in the flow conditions ,
  • the sensor arrangement for detecting the position of an electromagnetically moved armature of the type specified at the outset, with at least one work coil and at least one measuring coil to which an alternating voltage is applied, is further developed according to the invention.
  • both the working coil and the measuring coil with the alternating voltage can be evaluated for an AC voltage with a constant frequency by measuring the phase shift between the current and the voltage in the respective coil and for an AC voltage with a variable frequency by detecting the change in the resonance frequency of the resonant circuit can be detected with the respective coil.
  • the detection of the position of the armature in the state of no working current flow in the work coil by means of the work coil can preferably be carried out by measuring the phase shift between the current and the voltage.
  • the detection of the position of the armature in the state of an operating current flow in the working coil is easily possible with the measuring coil by detecting the change in the resonant frequency of the resonant circuit with the measuring coil.
  • the invention thus uses measuring principles which, for example, permit a static measurement of the inductance for the relatively accurate and reliable display of the switching positions of a valve.
  • the inductance of the magnetic coils is dependent in a manner known per se on the depth with which a magnetic core or an armature is immersed in the coil.
  • an alternating current flows through them and the measurements of the phase and / or frequency shift specified in the main claim can thus be carried out.
  • Working coil advantageously uses the measuring coil independent of the working coil of the valve.
  • the magnetic flux of this measuring coil is close to or in the area of saturation of the magnetic circuit when the measuring coil is switched on, which means that the design of the measuring coil is decisive for the measuring accuracy.
  • the radial arrangement of the measuring coil at the end of the working coil is a good solution with which both measuring principles described above can be used.
  • the working frequency of the measuring coil can typically be in the range of a few kHz.
  • the direct current through the work coil drops to zero in a sufficiently short time for the measurement.
  • both the independent measuring coil and the work coil are available for the measurement.
  • the magnetic flux is far from the saturation range.
  • a central radial arrangement of the measuring coil is well suited.
  • the radially arranged work coil is advantageously used to measure the inductance, which is not traversed by the working current when the valve is at rest.
  • the work coil has a typical working frequency in the range of 10 to 30 Hz. Applying the frequency measurement would lead to a resonant circuit with capacitors of large size and poor temperature behavior, so that in this case the phase measurement leads to better results.
  • An evaluation of the electrical quantities detected with the sensor arrangement according to the invention can advantageously be simplified with a switching device with which the working current flow in the work coil and the respective connection of the measuring arrangement for the phase shift and the frequency change to the relevant coils can be effected.
  • a temperature sensor is attached to the valve with which a threshold value for the Display of the position of the anchor can be corrected in an evaluation logic.
  • the evaluation is preferably carried out with a computer module with which an alternating voltage of constant frequency can be generated and a measurement of the phase shift between the current and the voltage at the work coil as well as a detection of the change in the resonance frequency of the resonant circuit consisting of an oscillator and the respective coil ,
  • the aforementioned switching device can also be controlled with the computer module.
  • FIG. 5 shows a first exemplary embodiment of the sensor arrangement with an evaluation circuit
  • Figure 6 shows a second embodiment of the sensor arrangement with an evaluation circuit
  • Figure 5 shows a third embodiment of the sensor arrangement with an evaluation circuit and a computer module.
  • FIG. 1 shows a valve 1 for a hydraulic system, for example in a known working machine, in which a valve slide can be actuated with an armature 2 of an electromagnet or can be moved into different valve positions according to arrow 3 in a yoke closed on one side.
  • the electromagnet also has a work coil 4 and a measuring coil 5 arranged axially behind it.
  • the measuring coil 5 is attached axially in front of the work coil 4.
  • the measuring coil 5 is arranged axially in the middle between the two work coil parts 4a and 4b, and an arrangement with a radially inner measuring coil 6 and a radially outer working coil 7 can be seen from FIG.
  • the arrangement of the work coil 4 and the measurement coil 5 corresponds to the illustration according to FIG. 1.
  • the connections 10 and 11 of the work coil 4 are here with a circuit for measuring the phase shift between the current and the
  • the voltage in the work coil 4 and the connections 12 and 13 of the measuring coil 5 are connected to a circuit for evaluating the shift in the resonance frequency in this coil 5.
  • the valve 1 is switched off, ie the armature 2 is in its idle position and no direct current flows through the work coil 4.
  • a contact 14 of a switching device 15 can be caused that the output signal of a clock generator 16 is applied to the work coil 4, so that the work coil 4 is acted upon by an AC voltage of constant frequency.
  • a phase measuring device 17 is connected via a resistor R1, with which the voltage and the measuring current of the working coil 4 and thus the phase shift between these variables can be determined via the looped-in resistor R1. Since the phase shift or the inductance of this circuit is dependent on the depth with which the armature 2 plunges into the work coil 4, the switching position of the valve 1 in this working state can be clearly determined with this method.
  • the measuring coil 5 according to FIG. 5 is connected via the connections 12 and 13 to an oscillator 18 as part of an oscillating circuit, the oscillating frequency of which can be detected by a frequency measuring device 19.
  • the oscillator 18 is switched off with a contact 20 of the switching device 15, so that an evaluation logic 21 in this idle state only evaluates the signal coming from the phase measuring device 17, for example by comparison with predetermined threshold values, and at an output 22 outputs the signal "open" for the state of valve 1.
  • an evaluation logic 21 in this idle state only evaluates the signal coming from the phase measuring device 17, for example by comparison with predetermined threshold values, and at an output 22 outputs the signal "open" for the state of valve 1.
  • valve 1 In the working state not explicitly shown in FIG. 5, valve 1 is then switched on, so that armature 2 moves upward.
  • a control signal at input 2 for example the output signal of a machine control, effects the actuation of contact 14 in switching device 15 in such a way that work coil 4 is connected via a circuit 25 is supplied with a direct current.
  • the contact 20 switches on the oscillator 18 and a contact 26 switches the evaluation logic 21 to the output of the frequency measuring device 19.
  • the signal "closed" for the state of the signal appears at the output 22 of the evaluation logic 21 Valve 1, since a corresponding frequency change in the resonant circuit with the measuring coil 5 has been detected by the movement of the armature 2.
  • the work coil 4 is driven directly by the supply current at input 25 and the evaluation logic 21 receives the information about the switching state of the valve 1 at a connection 26 directly from the input 25
  • Work coil 5 and measuring coil 4 are permanently switched on, their inputs 10, 11 and 12, 13 being permanently protected against damage by interference signals by suitable conventional measures.
  • the direct coupling of the work coil 4 to the supply voltage and the evaluation of this voltage control the switching of the measurement signals between the measurement of the phase shift and the measurement of the frequency change itself.
  • the valve 1 can be connected in a simple manner in the same way as not valve equipped with a switch position indicator.
  • the evaluation of the signals and the control of the switching display “open” or “closed” are carried out completely by a computer module 30.
  • the measuring principles described above are essentially retained.
  • the switching of the respective measuring arrangement on the work coil 4 and the measuring coil 5 is carried out here by electronic switches 31, 32 and 33, which are digital Outputs 34, 35 and 36 of the computer module 30 can be controlled.
  • valve 1 or the direct current supply 25 of the work coil 4 can be switched on or off by the digital signal output 34 "digital out 1" of the microcomputer 30 via the switch 31.
  • the signal for the switching display 22 "open” or “closed” is also available in this exemplary embodiment.
  • the measuring coil 4 is not required when the valve is switched off, as described above.
  • the temperature of the magnetic arrangement can easily be determined by the internal resistance of the measuring coil 5, since this is linked to the temperature of the measuring coil 5 via the known temperature coefficient.
  • the thermal coupling of the measuring coil 5 with the magnetic arrangement enables a temperature-dependent correction of the position of the armature 2, so that the temperature sensor 23 shown in FIGS. 5 and 6 can be omitted.
  • the measuring coil 5 is for temperature measurement by the computer-controlled switches 32 and 33 connected to a supply voltage U sensor with one side and to ground with the other side via a sensor resistor R3. With the signals "analog in 4" at connection 39 and "analog in 6" at connection 40, the computer module can calculate the internal resistance of the measuring coil 5 from voltage and current and from this the temperature.
  • the oscillator 18 for frequency measurement on the measuring coil 5 corresponds to the oscillator of the exemplary embodiments according to FIGS. 5 and 6. It is switched on by the signal at the connection 41 "digital out 3" of the computer module 30 when the valve 1 is switched on and thus the work coil 4 is flowed through by direct current.
  • the signal "analog in 5" at the connection 32 on the computer module 30 detects the frequency of the oscillator 18. From the measured frequency, the computer module 30 calculates the position of the armature 2 according to the measurement principle described above.
  • the work coil 4 is advantageously used to measure the internal resistance and thus the temperature of the magnetic arrangement.
  • computer module 30 can also calculate the internal resistance of work coil 4 and, as previously described, the temperature.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung zur Erfassung der Lage eines elektromagnetisch bewegten Ankers (2) vorgeschlagen, mit mindestens einer Arbeitsspule (4, 4a, 4b; 7) zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit dem der Anker (2) bewegbar ist und mit mindestens einer mit einer Wechselspannung beaufschlagten Messspule (5; 6) zur Erfassung elektrischer Grössen in Abhängigkeit von der Ankerstellung. Sowohl die Arbeitsspule (4, 4a, 4b; 7) als auch die Messspule (5; 6) sind mit der Wechselspannung beaufschlagbar, wobei die elektrischen Grössen bei einer Wechselspannung mit konstanter Frequenz durch eine Messung der Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung in der jeweiligen Spule (4, 4a, 4b; 7) und bei einer Wechselspannung mit veränderlicher Frequenz durch eine Erfassung der Änderung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises mit der jeweiligen Spule (5; 6) erfassbar sind.

Description

Sensoranordnung zur Erfassung der Lage eines elektromagnetisch bewegten Ankers
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung der Lage eines elektromagnetisch bewegten Ankers nach der Gattung des Hauptanspruchs .
Es ist beispielsweise aus der DE 28 54 965 AI bekannt, dass bei einem Hubmagneten eine Hublageerkennung derart vorgenommen wird, dass mit einer zusätzlichen Messwicklung und dem beweglichen Anker des Hubmagneten ein magnetischer Kreis gebildet wird. Die Messwicklung wird mit einer Wechselspannung gespeist und der von der Stellung des Ankers abhängige induktive Widerstand der Messwicklung wird dann zur Hublageerkennung ausgewertet .
Insbesondere bei elektrisch betätigten Schaltventilen in der Pneumatik oder der Hydraulik erreicht der mit einem Ventilelement bzw. einem Ventilschieber mechanisch verbundene Kern des Elektromagneten relativ zur Magnetspule definierte Positionen, bei denen das Ventil entweder offen oder geschlossen ist. Die Erfassung dieser Schaltstellung der Ventilen ist beispielsweise bei der Überwachung von Maschinenbewegungen, die von hydraulischen oder pneumatischen Aktoren verursacht werden, wichtig. Bei einem Einbau der Ventile in Anlagen oder Maschinen ist es dabei oft notwendig, eine elektrische Anzeige der jewei- ligen Ventilstellung in einer relativ weit entfernt von Ventilen angeordneten Steuervorrichtung vorzunehmen.
Mit dieser bekannten Anordnung kann somit im Prinzip eine Überwachung der Ventilfunktion im Zusammenhang mit der Steuerung der Maschine zu Diagnosezwecken oder zur Ablaufsteuerung verschiedener Bewegungen und anderen informationstechnischen Aufgaben durchgeführt werden. Hierbei ist jedoch auch zu beachten, dass zum Beispiel eine druckdichte mechanische Kopplung eines Hubmesssystems zum Magnetkern bzw. zum angekoppelten Ventilelement hin ohne großen technischen Aufwand möglich sein sollte. Bei dieser indirekten Messung der Position des Ankers durch die positionsabhängige Induktivität der Magnetspule kann jedoch auch eine ungenaue Detektion erfolgen, wenn zum Beispiel der Magnetkern durch Verschmutzungen im Ventil oder durch Änderung in den Strömungsverhältnissen in einer Stellung vor den eigentlichen Positionen (offen, geschlossen) verharrt.
Vorteile der Erfindung
Die Sensoranordnung zur Erfassung der Lage eines elektromagnetisch bewegten Ankers nach der eingangs angegebenen Art, mit mindestens einer Arbeitsspule und mindestens einer mit einer Wechselspannung beaufschlagten Messspule ist gemäß der Erfindung weitergebildet.. In vorteilhafter Weise sind hierbei sowohl die Arbeitsspule als auch die Messspule mit der Wechselspannung beaufschlagbar, wobei die zur Ermittlung der Schaltstellung auszuwertenden e- lektrischen Größen bei einer WechselSpannung mit konstanter Frequenz durch eine Messung der Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung in der jeweiligen Spule und bei einer Wechselspannung mit veränderlicher Frequenz durch eine Erfassung der Änderung der Resonanz- frequenz des Schwingkreises mit der jeweiligen Spule er- fasst werden.
Bevorzugt wird gemäß der Erfindung die Erfassung der Lage des Ankers im Zustand keines Arbeitsstromflusses in der Arbeitsspule mittels der Arbeitsspule durch eine Messung der Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung durchführbar. Die Erfassung der Lage des Ankers im Zustand eines Arbeitsstromflusses in der Arbeitsspule wird mit der Messspule durch eine Erfassung der Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit der Messspule auf einfache Weise möglich.
Auf einfache Weise wendet die Erfindung damit Messprinzipien an, die beispielsweise zur relativ genauen und sicheren Anzeige der Schaltstellungen eines Ventils eine statische Messung der Induktivität gestatten. Die Induktivität der Magnetspulen ist in an sich bekannter Weise abhängig von der Tiefe, mit der ein Magnetkern bzw. ein Anker in die Spule eintaucht . Um die Induktivität der Spulen dann statisch zu erfassen, werden sie von einem Wechselstrom durchflössen und es können somit die im Hauptanspruch angegebenen Messungen der Phasen- und/oder der Frequenzverschiebung durchgeführt werden.
Da eine Überlagerung eines Wechselstromes oder Aufbau eines Schwingkreises bei eingeschalteter Arbeitsspule, d.h. bei einem Stromfluss mit Gleichstrom, technisch sehr aufwendig ist und die Messung aufgrund des relativ niedrigen Innenwiderstandes der Arbeitsspule und durch die großen Störeinflüsse schwierig ist wird in der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung bei stromdurchflossener Arbeitsspule vorteilhaft die von der Arbeitsspule des Ventils unabhängige Messspule eingesetzt. Der Magnetfluss liegt bei dieser Messspule im eingeschalteten Zustand nahe an oder im Bereich der Sättigung des Magnetkreises wodurch hier die Ausführung der Messspule ausschlaggebend für die Messgenauigkeit ist. Bei der üblichen Ausführung der Magnete in Topfform ist die radiale Anordnung der Messspule am Ende der Arbeit- spule eine gute Lösung mit der beide zuvor beschriebenen Messprinzipen anwendbar sind.. Die Arbeitsfrequenz der Messspule kann hier in typischer Weise im Bereich von einige KHz liegen. Die Messung der Phasenverschiebung benötigt dann eine schnelle Messeinrichtung; die Messung der Frequenzänderung hat dagegen bei langsamer arbeitenden Messeinrichtungen Vorteile.
Im ausgeschalteten Zustand des Ventils geht der Gleichstrom durch die Arbeitsspule in hinreichend kurzer Zeit für die Messung auf Null zurück. In diesem Zustand steht sowohl die unabhängige Messspule als auch die Arbeitsspule für die Messung zur Verfügung. Der Magnetfluss befindet sich weit vom Sättigungsbereich entfernt. In diesem Fall ist eine mittige radiale Anordnung der Messspule gut geeignet. Vorteilhaft wird die radial angeordnete Arbeitsspule zur Messung der Induktivität herangezogen, die im Ruhezustand des Ventils nicht vom Arbeitsstrom durchflössen ist. Die Arbeitsspule hat hierbei eine typische Arbeitsfrequenz im Bereich von 10 bis 30 Hz. Eine Anwendung der Frequenzmessung würde hier zu einem Schwingkreis mit Kondensatoren in großer Bauform und schlechtem Temperaturverhalten führen, so dass in diesem Fall die Phasen- messung zu besseren Ergebnissen führt.
Eine Auswertung der mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung erfassten elektrischen Größen kann in vorteilhafter Weise mit einer Schalteinrichtung vereinfacht werden, mit der der Arbeitsstromfluss in der Arbeitsspule und die jeweilige Zuschaltung der Messanordnung für die Phasenverschiebung und die Frequenzänderung an die betreffenden Spulen bewirkbar ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Temperaturfühler am Ventil angebracht ist, mit dem ein Schwellwert für die Anzeige der Position des Ankers in einer Auswertelogik korrigierbar ist.
Bevorzugt wird die Auswertung mit einem Rechnerbaustein durchgeführt, mit dem eine Wechselspannung konstanter Frequenz erzeugbar und eine Messung der Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung an der Arbeits- spule sowie eine Erfassung der Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestehend aus einem Oszillator und der jeweiligen Spule erfolgt. Mit dem Rechnerbaustein ist auch die zuvor genannte Schalteinrichtung steuerbar.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sensoranordnung für eine Schaltanzeige an einem elektrisch betätigten Ventil werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figuren 1 bis 4 verschiedene Anordnungen von Ar- beits- und Messspulen im Magnetkreis des Ventils,
Figur 5 ein erstes Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung mit einer Auswerteschaltung,
Figur 6 ein zweites Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung mit einer Auswerteschaltung und Figur 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung mit einer Auswerteschaltung und einem Rechnerbaustein .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein Ventil 1 für ein Hydrauliksystem, beispielsweise in einer an sich bekannten Arbeitsmaschine, gezeigt, bei dem ein Ventilschieber mit einem Anker 2 eines Elektromagneten betätigbar, bzw. in unterschiedliche Ventilstellungen gemäß Pfeil 3 in einem einseitig geschlossenen Joch bewegbar ist. Der Elektromagnet weist ferner eine Arbeitsspule 4 und eine axial dahinter angeordnete Messspule 5 auf. Nach Figur 2 ist in Abwandlung zur Figur 1 die Messspule 5 axial vor der Arbeitsspule 4 angebracht. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist die Messspule 5 axial mittig zwischen den zwei Arbeits- spulenteilen 4a und 4b angeordnet und aus Figur 4 ist eine Anordnung mit einer radial innen liegenden Messspule 6 und einer radial außen liegenden Arbeitsspule 7 erkennbar.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel einer Auswerteschaltung nach Figur 5 entspricht die Anordnung der Arbeits- spule 4 und der Messspule 5 der Darstellung nach der Figur 1. Die Anschlüsse 10 und 11 der Arbeitsspule 4 sind hier mit einer Schaltung zur Messung der Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung in der Arbeits- spule 4 und die Anschlüsse 12 und 13 der Messspule 5 sind mit einer Schaltung zur Auswertung der Verschiebung der Resonanzfrequenz in dieser Spule 5 verbunden.
Im in der Figur 5 gezeichneten Ruhezustand ist das Ventil 1 ausgeschaltet, d.h. der Anker 2 befindet sich in seiner Ruhelage und durch die Arbeitsspule 4 fließt kein Gleichstrom. Mit einem Kontakt 14 einer Schaltvorrichtung 15 kann bewirkt werden, dass auf die Arbeitsspule 4 das Aus- gangssignal eines Taktgebers 16 aufgeschaltet wird, so dass die Arbeitsspule 4 mit einer Wechselspannung konstanter Frequenz beaufschlagt wird. Über einen Widerstand Rl ist ein Phasenmessgerät 17 angeschlossen, mit dem die Spannung und über den eingeschleiften Widerstand Rl der Messstrom der Arbeitspule 4 und damit die Phasenverschiebung zwischen diesen Größen bestimmt werden kann. Da die Phasenverschiebung bzw. die Induktivität dieses Stromkreises abhängig von der Tiefe ist, mit der der Anker 2 in die Arbeitsspule 4 eintaucht, kann mit dieser Methode die Schaltstellung des Ventils 1 in diesem Arbeitszustand eindeutig bestimmt werden.
Die Messspule 5 nach der Figur 5 ist über die Anschlüsse 12 und 13 an einen Oszillator 18 als Teil eines Schwingkreises angeschlossen, dessen Schwingfrequenz mit einer Frequenzmesseinrichtung 19 erfasst werden kann. Im hier gezeigten Ruhezustand des Ventils 1 ist mit einem Kontakt 20 der Schaltvorrichtung 15 der Oszillator 18 jedoch abgeschaltet, so dass eine Auswertelogik 21 in diesem Ruhezustand lediglich das vom Phasenmessgerät 17 kommende Signal, zum Beispiel durch Vergleich mit vorgegebenen Schwellwerten, auswertet und an einem Ausgang 22 das Signal "offen" für den Zustand des Ventils 1 ausgibt. Bei geringen Hüben des Ankers 2 kann es von Vorteil sein, wenn die Temperatur der magnetischen Anordnung im Ventil 1 gemessen wird, um durch eine Kompensation der Schwellwerte mit einem Temperaturfühler 23 den Zustand des Ventils 1 genauer anzuzeigen.
Im in der Figur 5 nicht explizit gezeigten Arbeitszustand wird dann das Ventil 1 eingeschaltet, so dass sich der Anker 2 nach oben bewegt. Ein Steuersignal am Eingang 2, z.B. das Ausgangssignal einer Maschinensteuerung, bewirkt in der Schaltvorrichtung 15 die Betätigung des Kontaktes 14 in der Weise, dass die Arbeitsspule 4 über einen An- schluss 25 mit einem Gleichstrom versorgt wird. Gleichzeitig schaltet, gesteuert von der Schaltvorrichtung 15, der Kontakt 20 den Oszillator 18 ein und ein Kontakt 26 schaltet die Auswertelogik 21 auf den Ausgang des Fre- quenzmessgerätes 19. Am Ausgang 22 der Auswertelogik 21 erscheint somit das Signal "geschlossen" für den Zustand des Ventils 1, da eine entsprechende Frequenz nderung im Schwingkreis mit der Messspule 5 durch die Bewegung des Ankers 2 detektiert worden ist .
Im zweiten Ausführungsbeispiel nach Figur 6 ist in Abwandlung zur Darstellung nach der Figur 5 die Arbeitsspule 4 durch den Versorgungsstrom an Eingang 25 direkt angesteuert und die Auswertelogik 21 erhält die Information über Schaltzustand des Ventils 1 an einem Anschluss 26 direkt vom Eingang 25. Die Messeinrichtungen der Arbeitsspule 5 und Messspule 4 sind hierbei dauerhaft eingeschaltet, wobei deren Eingänge 10, 11 bzw. 12, 13 durch geeignete herkömmliche Maßnahmen gegen Beschädigung durch Störsignale dauerhaft geschützt sind. Durch die direkte Ankopplung der Arbeitsspule 4 an die Versorgungsspannung und die Auswertung dieser Spannung steuert sich die Umschaltung der Messsignale zwischen der Messung der Phasenverschiebung und der Messung der Frequenzänderung selbst. Das Ventil 1 kann hierbei auf einfache Weise in der gleichen Weise angeschlossen sein wie ein nicht mit einer Schaltstellungsanzeige ausgestattetes Ventil.
Nach einem dritten in Figur 7 angegebenen Ausführungsbei- spiel wird die Auswertung der Signale und die Steuerung der Schaltanzeige „offen" oder „geschlossen" vollständig durch einen Rechnerbaustein 30 durchgeführt. Die oben beschriebenen Messprinzipien bleiben dabei im wesentlichen erhalten. Die Umschaltung der jeweiligen Messanordnung an der Arbeitsspule 4 und der Messspule 5 erfolgt hier durch elektronische Schalter 31, 32 und 33, die von digitalen Ausgängen 34, 35 und 36 des Rechnerbausteins 30 angesteuert werden.
Das Ventil 1 bzw. die Gleichstromversorgung 25 der Arbeitspule 4 kann nach der Figur 7 durch den digitalen Signalausgang 34 „digital out 1" des Mikrorechners 30 ü- ber den Schalter 31 ein- oder ausgeschaltet werden. Am Anschluss „digital out 5" des Rechnerbausteins 30 steht auch bei diesem Ausführungsbeispiel das Signal für die Schaltanzeige 22 „offen" oder „geschlossen" zur Verfügung.
Im Folgenden werden die weiteren Ein- und Ausgänge des Rechnerbausteins 30 erläutert. Wenn durch die Stellung des Schalters 31 im ausgeschalteten Zustand des Ventils 1 die Arbeitsspule 4 nicht vom Gleichstrom des Anschlusses 25 durchflössen wird, erfolgt eine Phasenmessung zwischen dem Strom im Widerstand Rl und der Spannung der Arbeits- spule 4 in der oben beschriebenen Weise mit einer entsprechenden messtechnischen Auswertung im Rechnerbaustein 30. Der Takt am Ausgang 37 "cloc " regt die Arbeitsspule 4 an und die Spannung am Eingang 38 "analog in 1" wird zur Messung herangezogen.
Die Messspule 4 wird im ausgeschalteten Zustand des Ventils, wie zuvor beschrieben, nicht benötigt. In Abweichung zu der Messanordnung nach den Figuren 5 und 6 kann bei der Anordnung nach der Figur 7 die Temperatur der magnetischen Anordnung durch den Innenwiderstand der Messspule 5 einfach ermittelt werden, da dieser über den bekannten Temperaturkoeffizienten mit der Temperatur der Messspule 5 verknüpft ist. Die Wärmekopplung der Messspule 5 mit der magnetischen Anordnung ermöglicht eine temperaturabhängige Korrektur der Position des Ankers 2, so dass der in den Figuren 5 und 6 gezeigte Temperaturfühler 23 entfallen kann. Die Messspule 5 ist für die Temperaturmessung durch die rechnergesteuerten Schalter 32 und 33 mit einer Seite an eine VersorgungsSpannung Usensor und mit der anderen Seite über einen Sensorwiderstand R3 an Masse geschaltet. Mit den Signalen "analog in 4" am An- schluss 39 und "analog in 6" am Anschluss 40 kann der Rechnerbaustein den Innenwiderstand der Messspule 5 aus Spannung und Strom und daraus wiederum die Temperatur berechnen.
Der Oszillator 18 für die Frequenzmessung an der Messspule 5 entspricht dem Oszillator der Ausführungsbeispiele nach den Figuren 5 und 6. Er wird durch das Signal am Anschluss 41 "digital out 3" des Rechnerbausteins 30 eingeschaltet, wenn das Ventil 1 eingeschaltet ist und damit die Arbeitsspule 4 von Gleichstrom durchflössen wird. Das Signal „analog in 5" am Anschluss 32 am Rechnerbaustein 30 erfasst dann die Frequenz des Oszillators 18. Aus der gemessenen Frequenz berechnet der Rechnerbaustein 30 nach dem oben beschriebenen Messprinzip die Position des Ankers 2.
Die Arbeitsspule 4 wird in diesem zuletzt beschriebenen Zustand vorteilhaft zur Messung des Innenwiderstands und damit der Temperatur der magnetischen Anordnung herangezogen. Mit den Signalen "analog in 2" am Anschluss 43 und „analog in 3" am Anschluss 41 kann auch hier der Rechnerbaustein 30 den Innenwiderstand der Arbeitsspule 4 und, wie zuvor beschrieben, die Temperatur berechnen.

Claims

Patentansprüche
1) Sensoranordnung zur Erfassung der Lage eines elektromagnetisch bewegten Ankers (2) , mit
- mindestens einer Arbeitsspule (4, 4a, b; 7) eines E- lektromagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit dem der Anker (2) bewegbar ist und mit mindestens einer mit einer Wechselspannung beaufschlagten Mess- spule (5; 6) zur Erfassung elektrischer Größen in Abhängigkeit von der Ankerstellung, dadurch gekennzeichnet, dass
- sowohl die Arbeitsspule (4, 4a, 4b; 7) als auch die Messspule (5; 6) mit der WechselSpannung beaufschlagbar sind, wobei
- die elektrischen Größen bei einer Wechselspannung mit konstanter Frequenz durch eine Messung der Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung in der jeweiligen Spule (4,4a,4b;7) und bei einer Wechselspannung mit veränderlicher Frequenz durch eine Erfassung der Änderung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises mit der jeweiligen Spule (5; 6) erfassbar sind. 2) Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- im Zustand keines Arbeitsstromflusses in der Arbeitsspule (4, 4a, 4b; 7) die Erfassung der Lage des Ankers (2) mit der Arbeitsspule (4, 4a, 4b; 7) durch eine Messung der Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung durchführbar ist und dass
- die Erfassung der Lage des Ankers (2) im Zustand eines Arbeitsstromflusses in der Arbeitsspule (4,4a4b;7) mit der Messspule (5; 6) durch eine Erfassung der Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit der Messspule (5; 6) durchführbar ist.
3) Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine schnelle Messeinrichtung zur Messung der elektrischen Größen bei einer Wechselspannung mit konstanter Frequenz und eine relativ langsame Messeinrichtung bei einer Messung der elektrischen Größen bei einer Wechselspannung mit veränderlicher Frequenz vorhanden ist.
4) Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Schalteinrichtung (15, 14 , 20, 26; 31, 32 , 33) vorhanden ist, mit der der Arbeitsstromfluss in der Arbeits- spule (4 ,-4a, 4b; 6) und die jeweilige Zuschaltung der Messanordnung für die Phasenverschiebung (16, Rl, 17;30) und die Frequenzänderung (18,19;30) an die Spulen (4, 4a, 4b, 5 ; 6, 7) bewirkbar ist. 5) Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein Temperaturfühler (23) am Ventil (1) angebracht ist, mit dem ein Schwellwert für die Anzeige der Position des Ankers (2) in einer Auswertelogik (21) korrigierbar ist.
6) Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein Rechnerbaustein (30) vorhanden ist, mit dem eine Wechselspannung konstanter Frequenz erzeugbar und eine Messung der Phasenverschiebung zwischen dem Strom und der Spannung an der Arbeitsspule (4 ; 4a, 4b; 7) sowie eine Erfassung der Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestehend aus einem Oszillator und der jeweiligen Spule (4, 4a, 4b, 5 ; 6, 7) durchführbar ist und dass
- mit dem Rechnerbaustein (30) eine Schalteinrichtung
(31,32,33) steuerbar ist, mit der der Arbeitsstrom- fluss in der Arbeitsspule (4;4a,4b;6) und die jeweilige Zuschaltung der Messanordnung für die .Phasenverschiebung (16, Rl, 17; 30) und die Frequenzänderung (18,19;30) an die Spulen (4, 4a, 4b, 5 ; 6, 7) bewirkbar ist .
7) Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Messspule (5) axial vor oder hinter der Arbeitsspule (4) angeordnet ist. 8) Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Messspule (5) axial zwischen zwei Arbeitsspulen (4a, 4b) angeordnet ist.
9) Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Messspule (6) radial innen liegend angeordnet ist und von der radial außen liegenden Arbeitsspule (7) umgeben ist.
10) Anwendung der Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Sensoranordnung zur Schaltanzeige „offen/geschlossen" für ein elektrisch betätigbares Ventil (1) verwendet wird.
PCT/DE2002/000482 2001-02-23 2002-02-09 Sensoranordnung zur erfassung der lage eines elektromagnetisch bewegten ankers WO2002066931A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2001108721 DE10108721A1 (de) 2001-02-23 2001-02-23 Sensoranordnung zur Erfassung der Lage eines elektromagnetisch bewegten Ankers
DE10108721.7 2001-02-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2002066931A1 true WO2002066931A1 (de) 2002-08-29

Family

ID=7675227

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2002/000482 WO2002066931A1 (de) 2001-02-23 2002-02-09 Sensoranordnung zur erfassung der lage eines elektromagnetisch bewegten ankers

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE10108721A1 (de)
WO (1) WO2002066931A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007134287A1 (en) * 2006-05-12 2007-11-22 Parker-Hannifin Corporation Displacement measurement device
US9428164B2 (en) 2013-02-28 2016-08-30 Bendix Commercial Vehicle Systems Llc Valve assembly

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202011000405U1 (de) * 2011-02-22 2012-05-23 Rollax Gmbh & Co. Kg Induktive Wegmesseinrichtung
EP2657651B1 (de) * 2012-04-25 2019-11-13 Sensata Technologies, Inc. Positionssensor
DE102019131406A1 (de) * 2019-11-21 2021-05-27 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Zustands eines Magnet-Schaltelements

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2445005A1 (fr) * 1978-12-20 1980-07-18 Binder Magnete Electro-aimant de commande avec detection de course
US4521762A (en) * 1981-08-27 1985-06-04 Gte Automatic Electric Laboratories, Incorporated Integratable D/A converter
JPS6313307A (ja) * 1986-07-04 1988-01-20 Komatsu Ltd ソノレイドのストロ−ク制御方法
US4950985A (en) * 1987-12-09 1990-08-21 Herion-Werke Kg Apparatus for measuring electromagnetic values of a coil, in particular for measuring the position of armature of a coil/armature magnetic system
US5172298A (en) * 1990-01-09 1992-12-15 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Electromagnetic actuator
GB2287542A (en) * 1994-03-17 1995-09-20 Fmc Corp Sensorless measurement of electromagnetic actuator displacement device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2445005A1 (fr) * 1978-12-20 1980-07-18 Binder Magnete Electro-aimant de commande avec detection de course
US4521762A (en) * 1981-08-27 1985-06-04 Gte Automatic Electric Laboratories, Incorporated Integratable D/A converter
JPS6313307A (ja) * 1986-07-04 1988-01-20 Komatsu Ltd ソノレイドのストロ−ク制御方法
US4950985A (en) * 1987-12-09 1990-08-21 Herion-Werke Kg Apparatus for measuring electromagnetic values of a coil, in particular for measuring the position of armature of a coil/armature magnetic system
US5172298A (en) * 1990-01-09 1992-12-15 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Electromagnetic actuator
GB2287542A (en) * 1994-03-17 1995-09-20 Fmc Corp Sensorless measurement of electromagnetic actuator displacement device

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 012, no. 217 (E - 624) 21 June 1988 (1988-06-21) *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007134287A1 (en) * 2006-05-12 2007-11-22 Parker-Hannifin Corporation Displacement measurement device
US7969146B2 (en) 2006-05-12 2011-06-28 Parker-Hannifin Corporation Displacement measurement device
US9428164B2 (en) 2013-02-28 2016-08-30 Bendix Commercial Vehicle Systems Llc Valve assembly

Also Published As

Publication number Publication date
DE10108721A1 (de) 2002-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2156448B1 (de) Elektrischer transformator mit gleichfluss-kompensation
DE10235188B3 (de) Verfahren zum Ermitteln der Position eines Stellelements eines elektrisch antreibbaren Aktuators, zugehörige Schaltungsanordnung und Vorrichtung
EP1082586B1 (de) Verfahren zur erfassung der position und der bewegungsgeschwindigkeit eines zwischen zwei schaltstellungen hin und her bewegbaren stellelements
EP2136217B1 (de) Stromsensoranordnung zur Messung von Strömen in einem Primärleiter
EP2666023B1 (de) Strommessvorrichtung
DE112015001356T5 (de) Aufbau eines elektromagnetischen aktors
DE19917268A1 (de) Verfahren zum Überprüfen eines elektromagnetischen Durchflußmessers und elektromagnetische Durchflußmesseranordnung
EP1165944B1 (de) Verfahren zum bestimmen der position eines ankers
DE4142996A1 (de) Verfahren zum messen der mechanischen bewegung eines magnetventilankers, insbesondere von elektrisch gesteuerten einspritzanlagen
WO2014111218A1 (de) Spulenanordnung mit zwei spulen
DE3901678C2 (de)
WO2002066931A1 (de) Sensoranordnung zur erfassung der lage eines elektromagnetisch bewegten ankers
DE19538575C2 (de) Induktiver Näherungssensor
EP3417245B1 (de) Sensor
EP3893006A1 (de) Elektrische schaltungsanordnung und verfahren zur galvanisch getrennten, allstromsensitiven differenzstrom-messung mit hoher auflösung
DE3343269C1 (de) Vorrichtung zum indirekten beruehrungslosen elektrischen Messen kleiner Wege
EP2930724A2 (de) Magnetventil und Verfahren zur Überwachung einer Stellposition eines Magnetventils
DE3505765A1 (de) Induktiver naeherungsschalter mit pruefeinrichtung
EP0383139B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung von Spulen auf Windungs- und/oder Lagenschluss
DE102008040250A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines elektromagnetischen Aktors
DE4042162A1 (de) Magnetfelddetektor
DE60201327T2 (de) Verfahren zum Abschätzen der Position und Geschwindigkeit eines Ankers in einem elektromagnetischen Aktor zur Steuerung eines Motorventils
DE102007041183B4 (de) Verfahren zur Detektierung des Schaltzustandes
DE102018209216A1 (de) Positionsbestimmung für einen von einem Zweipunktregler bestromten Aktuator
DE102022129457B4 (de) Elektrische Schaltungsanordnung und Verfahren zur galvanisch getrennten, allstromsensitiven Differenzstrom-Messung

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP KR US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP