DE4133365C2 - Meßwertübertragungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßwertübertragungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es z. B. aus der DE 32 05 460 A1 bekannt ist.

In der Technik stellt sich immer wieder die Forde­ rung nach der Meßwerterfassung an sich bewegenden Maschinenenteilen, wie Rollen, Behälter (Autoklaven) usw. Häufigste Meßwerte sind dabei Temperaturen und Druck. In der Regel sind Übertragungen mit Schleif­ ringen oder Telemetriesystemen aufwendig. Daher hat man bereits vorgeschlagen, die Temperaturanhängig­ keit von Dauermagneten,auf dem rotierenden Teil be­ festigt, auszunutzen und die Feldstärkeänderung auf der stationären Seite mit einem Sensor abzutasten. Es ist ferner bekannt, die Verschiebung von Magne­ ten durch Druckänderungen und damit eine Feldstär­ keänderung zur Messung heranzuziehen (EP 0 310 776 A2).

In beiden Schriften werden die Feldstärkeänderungen an Dauermagneten gemessen. Damit wird zugleich ein Mangel mindestens an der zweiten Schrift deutlich: Es wird nicht nur eine Druckänderung durch Verschie­ ben eines Magneten gemessen, sondern gleichzeitig dessen Temperaturänderung. Dieses mag im Falle der o.g. Erfindung weniger von Belang sein, da sie auf eine andere Anwendung abgestimmt ist und dort die für diesen Zweck notwendige Genauigkeit nicht so hoch ist, jedoch ist sie insbesondere im industri­ ellen Bereich oder in der Verfahrenstechnik nicht zu vernachlässigen.

Auch dem ersten Verfahren der Temperaturmessung mit Magneten haften gewisse Vor- und Nachteile an: Es wird dort vorgeschlagen, als Magnetfeldsensor einen Hall-Sensor zu verwenden. Dieser spricht auf das B-Feld des Magneten an. Wie aus Abb. 3 dieser Schrift zu ersehen, ist die Temperaturabhängigkeit des Mag­ neten hier relativ gering im Vergleich zu dem H-Feld bei einem hohen Anfangsfeld. Nachteilig ist hier ferner, daß der Hallsensor als Halbleiter sel­ ber stark temperaturabhängig ist und eine Tempera­ turkompensation benötigt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nach­ teile beider Erfindungen zu vermeiden und ein Meß­ werterfassungssystem anzugeben, mit dem es auf ein­ fache Weise, vor allem ohne dem sich bewegenden Teil elektrische Energie zuzuführen, möglich ist, eine oder mehrere weitere Meßgrößen, die aus einer klei­ nen mechanischen Bewegung entstehen,wie z. B. Druck, Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft usw., aber auch Temperaturen zu erfassen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Dazu werden erfindungsgemäß die Grundideen beider Schriften miteinander kombiniert und so abgewandelt, daß die Nachteile beider vermieden werden:

Der Hall-Sensor in der DE 32 05 460 A1 wird durch eine magnetoresistive Sensor-Brückenschaltung, wie sie käuflich am Markt vorhanden ist, ersetzt. Die Brückenschaltung vermeidet weitgehend die Nach­ teile eines Halbleiters der starken Temperaturab­ hängigkeit, zum anderen spricht ein magnetoresisti­ ver Sensor im Gegensatz zu einem Hallsensor nur auf das H-Feld an. Wie aus Abb. 3 zu ersehen ist, hat hat jedoch das H-Feld einen wesentlich günstige­ ren Verlauf in Bezug auf Linearität und Auflösung, so daß eine merkliche Verbesserung gegenüber der o.g. Schrift eintritt. Dieses ist jedoch nicht der Grundgedanke vorliegender Erfindung, sondern die Vermeidung von Temperaturfehlern bei der Übertra­ gung von Signalen, die aus geringen Verschiebungen des Magneten oder eines Eisenjoches vor den Magne­ ten durch die Meßgröße entsteht, in dem zwei oder mehrere gleichartige Magneten verwendet werden, ein feststehender zur Temperaturmessung und ein oder mehrere weitere für die Erfassung kleiner Bewegun­ gen als Meßgröße. Dabei ist es vorteilhaft,zur Ver­ meidung von Fehlern durch unterschiedliche Kennlini­ en der magnetoresistiven Sensoren, die Magnete auf der Bewegungsbahn hintereinander anzuordnen und ent­ sprechend nacheinander abzufragen.

Außerdem ist es günstig, die Magnete,die eine Lage­ änderung durch die Meßgröße erfahren, so anzubrin­ gen, daß sie in ihrer Ruhestellung in der annähernd gleichen Entfernung zum Sensor sich befinden, wie der Magnet zur Temperaturmessung. Auf diese Weise lassen sich die Fehler zwischen der Temperaturmes­ sung und der zweiten Messung minimieren. Bei einer solchen Justierung sollte der Wert des durch Ver­ schieben veränderten Feldes immer nur kleiner oder größer sein, als der des Temperatur-Magneten, damit eine Identifizierung z. B. durch einen Mikroprozessor leicht möglich ist.

Eine Anordnung der Magnete nebeneinander kann beson­ ders dann andere Vorteile bringen, wenn durch das so entstandene Muster mehrere Meßwerte erkannt wer­ den können oder gleichzeitig eine Vorwärts-/Rück­ wärtserkennung damit vorgenommen werden soll. Damit ist der Vorteil, nur mit einem Magnetfeldsensor ar­ beiten zu können, jedoch verloren und die unter­ schiedlichen Kennlinien und Offset-Spannungen müs­ sen berücksichtigt werden.

Für den Fall, daß auf dem sich bewegenden Maschinen­ teil eine Stromversorgung sich befindet, läßt sich das gleiche Übertragungsprinzip auch mit stromdurch­ flossenen Spulen durchführen, einer mit Konstant­ strom für die Temperaturerfassung, eine für den Meß­ wert. Diese Möglichkeit widerspricht eigentlich dem Grundgedanke dieser Erfindung und soll nur als wei­ tere Möglichkeit aufgezeigt werden, wenn der Meßwert sich nicht in eine mechanische Feldänderung umset­ zen läßt.

Die Auswertung kann konventionell durch Brückenver­ stärker für die Widerstandsmeßbrücke und analoge/digitale Nachfolgeschaltungen oder vorzugsweise mit einem Mikroprozessor, der auf einfache und bekannte Art sowohl die eventuelle Korrektur der Meßwerte als auch die Zuordnung der einzelnen Meßsignale übernehmen kann. U.U. ist auch die Verwendung von speziell hierfür optimierten integrierten Baustei­ nen, z. B. ASICs von Vorteil.

Somit ist aufgabengemäß ein einfaches Verfahren an­ gegeben, nach dem sich in einigen Fällen berührungs­ los und ohne Energiezufuhr Meßwerte von einem sich bewegenden Maschinenteil auf einen festen Teil (Ge­ rüst, Rahmen, Lagerbock o. ä.) ohne Fehler, insbe­ sondere Temperaturfehler übertragen lassen.

Die Abb. 1 gibt den Grundgedanken der Erfindung wieder: Die Feldstärke eines feststehenden Magneten 55) und die Änderung der Feldstärke durch Verschie­ ben seiner Lage durch die Meßgröße oder durch Bewe­ gen eines Eisenjoches (56) auf einem rotierenden oder anders bewegten Maschinenteil wird nacheinan­ der von einem Magnetfeldsensor (22) aufgenommen. Geht man davon aus, daß die Veränderung durch die Meßgröße eine Verringerung der Feldstärke bewirkt, so kann ein Meßwert nur kleiner sein als ein reiner Temperaturwert. Damit ist leicht erkennbar, welches der Meßwert und welches der Temperaturwert ist.

In der Abb. 2 ist die bekannte Hysteresekurve mit dem II. Quadranten zu sehen, der in den folgenden Kurven nur noch dargestellt wird.

Die Abb. 3 zeigt die Kennlinie eines industriell her­ gestellten Neodynium - Eisen - Bor - Magneten im II. Quadranten des Kennlinienfeldes mit der Temperatur als Parameter. Wie zu erwarten,ist bei den höchsten Temperaturen von hier 140°C (Kurve 12) aufgrund der höheren Gitterbeweglichkeit sowohl das B-Feld wie auch das H-Feld am kleinsten und bei Kurve 8) (-20°C) am größten. Die Kurven 9), 10), 11) sind entsprechende Zwischenwerte. Die Arbeitsgeraden 13) sind in den L/D-Verhältnissen von 0,1 (ganz flache Gerade) bis 4,0 eingezeichnet (steilste Gerade). Nur in diesen Bereichen sind die Kennlinien einigermaßen linear, während Arbeitsgeraden, die durch die Knickpunkte verlaufen, eine stark gekrümmte Kennlinie besitzen.

Dieses Verhalten ist in Abb. 4 für die Induktion B dargestellt: Die Kurve 14 entspricht der Arbeitsge­ raden für L/D = 4, Kurve 16 gilt für die Arbeitsge­ rade 0,25. Kurve 15 läuft durch den Knickpunkt und ist entsprechend gekrümmt.

Die Abb. 5 entspricht der Abb. 4, jedoch ist hier das Verhalten im H-Feld dargestellt. Deutlich ist der günstige Kurvenverlauf für eine Arbeitsgerade 0,25 abzulesen, mit der ein guter Hub der Feldstärke für eine hohe Auflösung realisiert werden kann.

Die Abb. 6 zeigt eine mögliche Auswerteschaltung, bei der die magnetoresistive Brückenschaltung 22) durch einen Wechselspannungsgenerator 21) gespeist wird. Die Wechselspannung an der Brückendiagonalen, die sich proportional mit dem Magnetfeld ändert, wird verstärkt (26) und gleichgerichtet (28). Ein Filter (27) sorgt dafür, daß nur die Generatorfrequenz durchgelassen wird und damit Störungen weitgehend unterdrückt werden. Nach der Gleichrichtung 28) und einer Analog/Digital-Wandlung wird der Meßwert nor­ mal einem Mikroprozessor zur Auswertung und Linea­ risierung zugeführt, aber rein analoge Auswertungen sind ebenfalls möglich.

Die Abb. 7,1 bis 7,4 zeigen prinzipielle Anordnungen, mit denen eine Bewegungsmessung möglich ist. Die Abb. 7,1 und Abb. 7,3 sind Anordnungen für eine gera­ de Bewegung, die Anordnung Abb. 7,2 und Abb. 7,4 für eine Drehbewegung.

Claims (10)

1 . Meßwertübertragungssystem zur berührungslosen und hilfsenergiefreien Übertragung von einigen geeigne­ ten Meßgrößen, nämlich, die eine kleine Bewegung ver­ ursachen können, von einem sich bewegenden Maschi­ nenteil zu einem feststehenden Empfänger mittels Dauermagneten als Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß der den Übertragungswert durch Drehung, Ver­ schiebung oder Veränderung durch ein zusätzliches Eisenjoch erzeugende Magnet durch die Meßgröße in seinem Temperaturverhalten durch einen zweiten, im Verhältnis zum ersten feststehenden Magneten dadurch kompensiert wird, daß die Feldstärken beider Magnete nacheinander oder parallel von feststehenden Magnet­ feldsensoren abgefragt werden und der Temperatur­ einfluß entsprechend der durch die Meßgröße erzeug­ ten Kennlinie abgezogen wird.

2. Meßwertübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magneten zur Vermei­ dung von Zusatzfehlern gleich sind, sowohl von der Bauform als auch vom Material, idealerweise aus der gleichen Charge stammend.

3. Meßwerterfassungssystem nach Anspruch 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß beide Magnete thermisch gekoppelt sind, z. B. durch räumliche Nähe und metal­ lische Verbindung.

4. Meßwerterfassungssystem nach Anspruch 1 ,dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Temperaturmeßwert in bekannter Weise auch als zweite Meßgröße mit verwendet werden kann.

5. Meßwerterfassungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswertung vorzugsweise mit einem Mikroprozessor erfolgt, der die Kennlinien der Feldstärkeänderungen durch die Meßgrößen und der räumlichen (mechanischen) Anordnung enthält.

6. Meßwerterfassungssystem nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswertung durch speziell da­ für hergestellte hochintegrierte Schaltungen, z. B. ASICs, vorgenommen wird.

7. Meßwerterfassungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der durch die Meßgröße bewegliche Magnet in seiner Ruhestellung einen etwas kleineres Magnetfeld erzeugt als der feststehende für die Tem­ peraturmessung, wenn durch die Meßgröße das Feld ge­ schwächt wird bzw. größer ist, wenn durch die Meß­ größe das Feld verstärkt wird, damit bei der Auswer­ tung eine eindeutige Zuordnung möglich ist.

8. Meßwerterfassungssystem nach Anspruch 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Identifizierung von mehreren Meßstellen das Temperaturmeßsignal als Re­ ferenz für eine Zählung genommen wird.

9. Meßwerterfassungssystem nach Anspruch 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Identifizierung von mehreren Meßgrößen diese in verschiedenen Mustern auf dem sich bewegenden Teil angeordnet sein können.

10. Meßwerterfassungssystem nach Anspruch 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Muster zur Identifi­ zierung nach Anspruch 7 und 8 gleichzeitig zur Er­ mittlung der Drehrichtung dienen.