DE102008052267B4

DE102008052267B4 - Messanordnung zur Erfassung der Geschwindigkeit und/oder Relativposition eines Körpers

Info

Publication number: DE102008052267B4
Application number: DE200810052267
Authority: DE
Inventors: Martin Godel; Richard Schober
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2008-10-18
Filing date: 2008-10-18
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2028-10-19
Also published as: DE102008052267A1

Abstract

Messanordnung zur Erfassung der Geschwindigkeit und/oder Relativposition zwischen einer als Zylinder (12) ausgebildeten metallischen Führungseinrichtung (14) und einem relativ dazu bewegbaren, als Kolben mit Kolbenstange ausgebildeten Körper (11), der im Zylinder (12) verschiebbar geführt ist und der eine als Ringmagnet- oder Teilringmagnetanordnung ausgebildete Permanentmagnetanordnung (13) aufweist, deren Magnetfeld in die metallische Wandung des Zylinders (12) einwirkt, wobei wenigstens ein als Hall-Element ausgebildetes magnetfeldsensitives Messelement (15) vorgesehen ist, das im Wirkungsbereich der Permanentmagnetanordnung (13) am oder im bewegbaren Körper (11) fixiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Erfassung der Geschwindigkeit und/oder Position eines entlang einer als Zylinder ausgebildeten, metallischen Führungseinrichtung bewegbaren, als Kolben mit Kolbenstange ausgebildeten Körpers, der eine Permanentmagnetanordnung aufweist, deren Magnetfeld in die Führungseinrichtung einwirkt, wobei wenigstens ein magnetfeldsensitives Messelement vorgesehen ist.
Eine derartige Messanordnung ist beispielsweise aus der DE 10 2004 057 909 A1 , der DE 10 2006 008 157 A1 oder der DE 101 19 703 A1 bekannt. Wie beispielsweise aus der DE 10 2006 008 157 A1 hervorgeht, eignen sich solche Messanordnungen beispielsweise zur Erfassung der Position eines in einem fluidischen Zylinder bewegbaren Kolbens. Allen diesen Messanordnungen ist gemeinsam, dass die Permanentmagnetanordnung am bewegbaren Element, also beispielsweise am Kolben angeordnet ist, während eine magnetfeldsensitive Messelementanordnung ortsfest entlang der Bahn des bewegbaren Körpers angeordnet ist. Insbesondere bei sehr langen Bewegungsbahnen, also beispielsweise sehr langen fluidischen Zylindern oder sonstigen Linearantrieben müssten eine Vielzahl von magnetfeldsensitiven Messelementen entlang der Bahn angeordnet werden, um entweder mehrere Positionen oder die Geschwindigkeit des bewegbaren Körpers entlang der gesamten Bahn erfassen zu können. Dies gilt auch für eine kontinuierliche Positionserfassung.
Aus der DE 690 13 464 T2 geht eine Messeinrichtung hervor, bei der eine Flussänderung in einer Spule, die an einer Außenhülse eines Kraftfahrzeugstoßdämpfers angeordnet ist und die mit der ebenfalls an der Außenhülse angebrachten Permanentmagnetanordnung magnetisch vorgespannt ist, ermittelt wird. Diese Flussänderung wird durch eine Verschiebung eines metallischen, in die Außenhülse eintauchenden Stoßdämpferkolbens hervorgerufen und durch Auswertung einer in der Spule induzierten elektrischen Spannung in ein Wegsignal umgesetzt.
Die US 2006/0208842 A1 offenbart ein Messsystem, das darauf ausgerichtet ist, Veränderungen im magnetischen Fluss einer Spulenanordnung zu detektieren, wobei diese Veränderungen durch die Bewegung des beweglichen Körpers relativ zu der Spulenanordnung hervorgerufen wird und wobei der bewegliche Körper mit einem ferromagnetischen Ring ausgestattet ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Messanordnung der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, dass mittels einer sehr einfachen Messelementanordnung, die aus nur einem Messelement bestehen kann, die Geschwindigkeit und/oder Position eines bewegbaren Körpers entlang einer nahezu beliebig langen Messstrecke erfasst werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei ist das wenigstens eine Messelement nicht mehr ortsfest entlang der Bewegungsbahn des bewegbaren Körpers angeordnet, sondern im Wirkungsbereich der Permanentmagnetanordnung am oder im bewegbaren Körper selbst. Entlang der Bewegungsbahn des bewegbaren Körpers sind somit keinerlei Messelemente mehr erforderlich, so dass das sich mitbewegende Messelement die Geschwindigkeit und/oder Position des bewegbaren Körpers entlang einer praktisch beliebig langen Messstrecke oder Bewegungsbahn erfassen kann. Insbesondere bei sehr langen Bewegungsbahnen ist dies besonders vorteilhaft. Durch die feste räumliche Zuordnung des wenigstens einen Messelements zur Permanentmagnetanordnung am oder im bewegbaren Körper wird zwar zunächst ein fester Wert des Magnetfelds im Messelement erfasst, jedoch ändert sich dieser bei jeder Bewegung des bewegbaren Körpers, da die Permanentmagnetanordnung in der metallischen Führungseinrichtung Wirbelströme erzeugt, die auf das Magnetfeld der Permanentmagnetanordnung rückwirken und sich insbesondere am Ort des wenigstens einen Messelements geschwindigkeitsabhängig verändern. Dieser geschwindigkeitsabhängige Messwert kann dann direkt als Geschwindigkeitsmesswert oder durch Integration als Positionsmesswert ausgewertet werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Messanordnung möglich.
In vorteilhafter Weise ist eine elektronische Auswerteeinrichtung zur Verarbeitung des sich durch Wirbelstromeffekte bei der Bewegung des Körpers verändernden Messsignals des wenigstens einen Messelements in ein Geschwindigkeitssignal vorgesehen, mit dem das wenigstens eine Messelement in Wirkverbindung steht. Das wenigstens eine Messelement ist dazu über elektrische Leitungen oder vorzugsweise drahtlos mit der Auswerteeinrichtung verbunden.
Zur drahtlosen Verbindung eignet sich eine Bluetooth-Infrarot- oder Funkverbindung in besonderer Weise. Im Falle einer Verbindung über elektrische Leitungen sind zweckmäßigerweise zur Messsignalübertragung zwischen dem bewegbaren Körper oder einem mit ihm verbundenen Teil und einer ortsfesten Anschlussstelle Schleifkontakte vorgesehen.
Um ein Wegsignal aus dem Geschwindigkeitssignal oder Messsignal zu erhalten, besitzt die Auswerteeinrichtung in vorteilhafter Weise eine Integralstufe zur Integration des Geschwindigkeitssignals bzw. Messsignals.
Die Permanentmagnetanordnung ist insbesondere axial in der axialen Bewegungsrichtung magnetisiert und als Ringmagnet- oder Teilringmagnetanordnung ausgebildet. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die metallische Führungseinrichtung als fluidischer Zylinder und der bewegbare Körper als darin verschiebbarer Kolben ausgebildet.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein in einem Zylinder als Führungseinrichtung bewegbarer Kolben als bewegbarer Körper mit einer über elektrische Leitungen erfolgenden Signalübertragung zu einer elektronischen Auswerteeinrichtung und
2 eine Ausschnittsdarstellung der Kolben-Zylinder-Anordnung gemäß 1 bei drahtloser Signalübertragung.
Bei dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein mit einer Kolbenstange 10 versehener Kolben 11 in einem fluidischen Zylinder 12 verschiebbar geführt. Eine Permanentmagnetanordnung 13 im Kolben 11 ist als axial magnetisierter Ringmagnet ausgebildet. Prinzipiell kann anstelle eines Ringmagneten auch ein Teilringmagnet treten, wobei auch jeweils mehrere Permanentmagnete die Permanentmagnetanordnung 13 bilden können. Weiterhin kann anstelle einer axialen Magnetisierung auch eine anders orientierte Magnetisierung treten, z. B. eine radiale Magnetisierung. Wesentlich ist, dass das Magnetfeld der Permanentmagnetanordnung 13 in die metallische Wandung 14 des Zylinders 12 eingreift, so dass dort bei einer Bewegung des Kolbens 11 Wirbelströme entstehen.
Die Wandung 14 kann beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, aus Stahl, einer Stahllegierung oder einem sonstigen Metall oder einer sonstigen Metalllegierung bestehen.
Im Bereich des Magnetfelds der Permanentmagnetanordnung 13, im Ausführungsbeispiel in einer axialen Position neben der Permanentmagnetanordnung 13, ist ein magnetfeldsensitives Messelement 15 angeordnet, bei dem es sich um ein Hall-Element handelt. Möglich ist auch eine Anordnung aus mehreren Messelementen 15, die beispielsweise ringförmig entlang einer ringförmig ausgebildeten Permanentmagnetanordnung 13 angeordnet sein können.
Die Permanentmagnetanordnung 13 und das Messelement 15 sind im Ausführungsbeispiel innerhalb des Kolbens 11 angeordnet. Ebenfalls möglich ist eine Anordnung axial oder radial am Kolben 11, beispielsweise versenkt in entsprechenden randseitigen Ausnehmungen.
Durch das Magnetfeld der Permanentmagnetanordnung 13 wird im magnetfeldsensitiven Messelement 15 eine Messspannung erzeugt. Bewegt sich der Kolben 11, so verändert sich durch Wirbelströme das am Messelement 15 gemessene Magnetfeld geschwindigkeitsabhängig. Im Messelement 15 wird dadurch ein geschwindigkeitsabhänges Messsignal erzeugt. Sind mehrere Messelemente 15 als Messelementanordnung vorgesehen, so könnte beispielsweise zur Erhöhung der Genauigkeit ein Mittelwert gebildet werden oder durch Vergleich der Messsignale könnten abweichende Messsignale ausgeblendet werden.
Die Messsignale des Messelements 15 werden einer elektronischen Auswerteeinrichtung 16 zugeführt. Hierzu verläuft im Kolben 11 eine Messleitungsanordnung 17 zur Kolbenstange 10, entlang derer sie derart an der Außenseite verläuft, dass die Messsignale an ihr durch eine Schleifkontaktanordnung 18 abgegriffen werden können. Von der Schleifkontaktanordnung 18 aus verläuft dann eine Kabelverbindung 19 zur Auswerteeinrichtung 16.
In der Auswerteeinrichtung 16 ist eine Integralstufe 20 enthalten. Das geschwindigkeitsabhängige Messsignal kann durch diese Integralstufe 20 zur Bildung eines Positions- bzw. Wegsignals für den Kolben 11 integriert werden. Selbstverständlich enthält die Auswerteeinrichtung 16 auch noch eine geeignete Signalaufbereitungseinrichtung zur Aufbereitung des Geschwindigkeitssignals und/oder des Positionssignals. Eine derartige Signalaufbereitungseinrichtung kann prinzipiell auch am Messelement 15, also im oder am Kolben 11 angeordnet sein.
Die Schleifkontaktanordnung 18 oder eine andere elektrische Kontakt- oder Abgreifeinrichtung kann prinzipiell auch an einer anderen Stelle der beschriebenen Anordnung vorgesehen sein, beispielsweise entlang der Wandung 15 der Permanentmagnetanordnung 13 oder sie erstreckt sich vom Kolben 11 aus als separater Messstab durch einen der Zylinderdeckel des Zylinders 12.
In 2 ist der Zylinder 12 und der Kolben 11 zur Vereinfachung als Ausschnitt dargestellt. Gleiche oder gleichwirkende Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel erfolgt hier die Signalübertragung vom Messelement 15 zur Auswerteeinrichtung 16 nicht über Kabelverbindungen, sondern drahtlos. Hierzu ist das Messelement 15 mit einer Sendeeinrichtung 21 und die Auswerteeinrichtung 16 mit einer entsprechenden Empfangseinrichtung 22 versehen. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Funkverbindung oder Bluetooth-Verbindung handeln. Im Falle von optisch durchlässigen Zylinderdeckeln oder Wandbereichen des Zylinders 12 ist auch eine optische Übertragung, beispielsweise eine Infrarotübertragung der Messsignale möglich. Andere bekannte drahtlose Übertragungsmechanismen können ebenfalls eingesetzt werden.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Anwendung für eine Kolben-Zylinder-Anordnung eingeschränkt, sondern kann überall dort zur Geschwindigkeits- und/oder Positionsmessung eines bewegbaren Körpers eingesetzt werden, der mit einer entsprechenden Permanentmagnetanordnung 13 und einer magnetfeldsensitiven Messelementanordnung versehen ist, und der entlang einer metallischen Führungseinrichtung bewegt oder geführt ist, in der Wirbelströme induziert werden können. Solche Anwendungen sind beispielsweise Linearantriebe oder nichtlineare Antriebe, bei denen ein Antriebselement entlang einer linearen oder nichtlinearen Führungsbahn geführt bzw. bewegt wird.

Claims

Messanordnung zur Erfassung der Geschwindigkeit und/oder Relativposition zwischen einer als Zylinder (12) ausgebildeten metallischen Führungseinrichtung (14) und einem relativ dazu bewegbaren, als Kolben mit Kolbenstange ausgebildeten Körper (11), der im Zylinder (12) verschiebbar geführt ist und der eine als Ringmagnet- oder Teilringmagnetanordnung ausgebildete Permanentmagnetanordnung (13) aufweist, deren Magnetfeld in die metallische Wandung des Zylinders (12) einwirkt, wobei wenigstens ein als Hall-Element ausgebildetes magnetfeldsensitives Messelement (15) vorgesehen ist, das im Wirkungsbereich der Permanentmagnetanordnung (13) am oder im bewegbaren Körper (11) fixiert ist.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem wenigstens einen Messelement (15) eine elektrische Auswerteeinrichtung (16) in Wirkverbindung steht, zur Verarbeitung des sich durch Wirbelstromeffekte bei der Bewegung des Körpers (11) verändernden Messsignals des wenigstens einen Messelements (15) in ein Geschwindigkeitssignal.
Messanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Messelement (15) über elektrische Leitungen (17, 19) oder drahtlos mit der Auswerteeinrichtung (16) verbunden ist.
Messanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtlose Verbindung als Bluetooth-, Infrarot- oder Funkverbindung ausgebildet ist.
Messanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messsignalübertragung zwischen dem bewegbaren Körper (11) oder einem mit ihm verbundenen Teil und einer ortsfesten Anschlussstelle an der Führungseinrichtung (14) eine Schleifkontaktanordnung (18) vorgesehen ist.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (16) eine Integralstufe (20) zur Bildung eines Wegsignals aus dem Geschwindigkeitssignal oder Messsignal aufweist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetanordnung (13) axial in der axialen Bewegungsrichtung magnetisiert ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetanordnung (13) aus wenigstens einem Permanentmagneten besteht.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Führungseinrichtung (14) als fluidischer Zylinder (12) ausgebildet ist.