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WO2012110146A1 - Sensoranordnung zur wegmessung einer stange - Google Patents

Sensoranordnung zur wegmessung einer stange Download PDF

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Publication number
WO2012110146A1
WO2012110146A1 PCT/EP2011/073394 EP2011073394W WO2012110146A1 WO 2012110146 A1 WO2012110146 A1 WO 2012110146A1 EP 2011073394 W EP2011073394 W EP 2011073394W WO 2012110146 A1 WO2012110146 A1 WO 2012110146A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rod
magnetic
sensor
magnetic field
magnetic flux
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2011/073394
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mathias Kimmerle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
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 WO2012110146A1 publication Critical patent/WO2012110146A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • G01D5/142—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 using Hall-effect devices
    • G01D5/145—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 using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
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    • G01D5/244—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 characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/24428—Error prevention
    • G01D5/24433—Error prevention by mechanical means
    • G01D5/24438—Special design of the sensing element or scale
    • 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
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/40—Position sensors comprising arrangements for concentrating or redirecting magnetic flux

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for measuring the distance of a rod according to the preamble of independent claim 1.
  • a sensor arrangement for measuring the distance of a rod according to the preamble of independent claim 1.
  • special sensor arrangements are available, which In particular, they can sample a coding which is used for a Ci S (Ceramax Integrated Measurement System).
  • the CIMS known from the prior art uses a sensor arrangement for measuring the distance of a rod, the surface of which has a mechanical coding which, for example, can be detected magnetically and evaluated.
  • the sensor device comprises a magnet arrangement arranged at a distance from the rod for generating a magnetic field whose magnetic field lines at least partially penetrate into the coded surface of the rod via an air gap, wherein at least one magnetic flux sensor for detecting information about the magnetic field is arranged in the air gap for evaluation the detected information of the magnetic field is coupled to an evaluation and control unit.
  • the sensor arrangement according to the invention for measuring the distance of a rod with the features of independent claim 1 has the advantage that by the inventive internal magnetic structure on the Installation position of the inserted at least one magnetic flux sensor, a comparatively strong magnetic field is provided, which prevents disturbances by retentive fields in the bar can severely penetrate the function signal. Through the series connection, the two individual magnets support each other in the construction of the magnetic field.
  • the essence of the invention consists in the construction of the magnet assembly with the series connection of two individual magnets, which cause the stronger magnetic field in an advantageous manner with almost the same space.
  • Embodiments of the present invention provide a sensor arrangement for measuring the distance of a rod whose surface has a mechanical coding, with a magnet arrangement arranged at a distance from the rod for generating a magnetic field whose magnetic field lines at least partially penetrate into the coded surface of the rod via an air gap. wherein in the air gap at least one magnetic flux sensor for detecting information about the magnetic field is arranged, which is coupled to the evaluation of the detected information of the magnetic field with an evaluation and control unit.
  • the magnet arrangement comprises at least two individual magnetically connected in series. Due to the mechanical coding, the magnetic properties of the rod and thus the magnetic flux of the generated magnetic field change. These changes in the magnetic flux can be detected and evaluated by the at least one magnetic flux sensor.
  • the two individual magnets are coupled via a yoke with each other, so that a closed partial magnetic circuit is formed within the magnet assembly.
  • the yoke is preferably made of a soft magnetic material and conducts the magnetic field without significant losses. Due to the connection of the two individual magnets via the yoke, large air gaps, which are suitable for the magnetic circuit, are advantageously produced in the magnetic circuit. because they represent unfavorable resistance, overall reduced. Since the magnetic circuit only has the required air gap between the magnetic arrangement and the movable rod for measuring purposes, one can speak of a closed magnetic circuit.
  • the magnetic field lines of the generated magnetic field also extend outside the measuring air gap over long distances in the air.
  • the air path through the newly introduced yoke and the series connection of the two support magnets can advantageously be greatly shortened.
  • flux density values in the range of approximately 170 mT can again be achieved even at a greater distance to the magnet arrangement, whereby a negative influence on the measurement result by remanent disturbances on the rod can be almost avoided.
  • Conventional sensor arrangements reach there only about 30mT and can therefore be disturbed by remanent disturbances on the rod in the evaluation.
  • the evaluation and control unit detects changes in the magnetic flux density via two magnetic flux sensors arranged in the air gap and evaluates these for determining a movement of the rod.
  • the rod is made of a soft magnetic material, so that the
  • the mechanical coding of the rod should be made so large that the resulting magnetic field change or magnetic flux change can be detected by the magnetic flux sensors.
  • the rod can have a coating, preferably a Ceramax coating, for producing a smooth surface over the coding.
  • the coating of the rod advantageously makes it possible to provide predetermined sealing and sliding properties of the rod, in particular if it is used as a piston rod in a fluidic system.
  • the magnet arrangement can be designed as a multipole, for example as a quadrupole, with at least two individual magnetically connected in series, which are arranged directly next to each other.
  • This embodiment is particularly suitable for small code distances, with a small width of the air gap can advantageously be dispensed with in addition to the yoke in an advantageous manner.
  • two magnetic flux sensors are arranged in the air gap with a predetermined axial distance with respect to the rod.
  • the axial distance of the two magnetic flux sensors is matched to the magnetic coding of the rod.
  • the at least one magnetic flux sensor is preferably designed as a Hall element.
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of an embodiment of a sensor unit according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic perspective illustration of a section of a CIMS-coded piston rod with magnetically relevant elements of the exemplary embodiment of the sensor unit from FIG. 1 that is relevant for the simulation.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the magnetic circuit of the exemplary embodiment of a sensor unit according to the invention from FIGS. 1 and 2.
  • 4 shows a characteristic diagram for the comparison of modulation amplitude-distance characteristics of sensor units with different ferromagnetic structures.
  • the illustrated exemplary embodiment of a sensor arrangement 1 for measuring the distance of a rod 30, the surface of which has a mechanical coding 32, which is detected and evaluated magnetically, comprises a magnet arrangement 10 for generating a magnetic field 18, which is spaced from the rod 30, whose movement is to be detected and measured.
  • the magnetic field lines 18. 1 of the generated magnetic field 5 penetrate at least partially into the coded surface 32 of the rod 30 via an air gap 26.
  • at least one magnetic flux sensor 22, 24 for detecting information about the magnetic field 18 is arranged in the air gap 26 between the magnet arrangement 10 and the movable rod 30.
  • the at least one magnetic flux sensor 22, 24 is preferably designed as a Hall element.
  • two magnetic flux sensors 22, 24 are arranged at a predetermined axial distance D2 with respect to the rod 30 to each other in the air gap 26.
  • the two magnetic flux sensors 22, 24 are coupled via corresponding communication connections to an evaluation and control unit 20, which forwards the ascertained path information of the rod 30 to higher-order system or functions.
  • the evaluation and control unit 20 detects changes in the magnetic flux density caused by the coding 32 of the rod 30 via the two magnetic flux sensors 22, 24 arranged in the air gap 26 and evaluates these for determining a movement of the rod 30.
  • the magnet arrangement 10 comprises at least two individual magnets 12, 14 connected magnetically in series in order to increase the magnetic flux or to strengthen the magnetic field 18.
  • the two individual magnets 12, 14 coupled via a soft magnetic yoke 16 with each other and support each other in the structure of the magnetic field 16, so that within the magnet assembly 10, a closed partial magnetic circuit is formed and the proportion of magnetic field lines running in air 18.1 and thus the magnetic resistance can be reduced.
  • the yoke 16 conducts the magnetic flux without significant losses.
  • the rod 30 is made of a soft magnetic material and closes the magnetic circuit.
  • the influence of the mechanical coding 32 on the magnetic properties of the rod 30 is advantageously enhanced.
  • the mechanical coding 32 of the rod 30 has a predetermined code spacing K1.
  • the code distance K1 of the mechanical coding 32 of the rod 30 and the axial distance D2 of the two magnetic flux sensors 22, 24 are matched to each other.
  • the rod 30 has a coating 34, which is designed in the illustrated embodiment as a Ceramax coating.
  • the two arranged in the air gap 26 between the individual magnets 12, 14 and the rod 30 magnetic flux sensors 22, 24 register the change in the magnetic flux density during the movement of the rod 30 in one of the two directions of movement R1, R2.
  • a person skilled in the art is familiar with various evaluation methods which can be used in the evaluation and control unit 20 for determining the distance covered by the coded rod 30, so that this is not discussed in detail in the present description.
  • a measure of the quality of the magnetic circuit is the so-called distance law, which represents the modulation amplitude of the respective principle at different magnetic distances of magnet assembly 10 for encoding 32 of the rod 30.
  • Ki denotes the modulation amplitude-distance characteristic of a sensor arrangement with a magnet arrangement, which comprises a magnetically homogeneous disk.
  • K 2 denotes the modulation amplitude-distance characteristic of a sensor arrangement with a magnet arrangement which has identically aligned individual magnets.
  • K E denotes the modulation amplitude-distance characteristic of the sensor arrangement 1 according to the invention with the magnet arrangement 10, which two comprises individual magnets 12, 14 connected in series via the yoke 16.
  • the magnet arrangement with the resulting characteristic K 2 is almost as effective as the inventive magnet arrangement with the resulting characteristic K E , however, this design is no longer produced and therefore can not be used.
  • the embodiment of the sensor arrangement according to the invention still exhibits the greatest modulation amplitude of all considered principles in the case of large air gaps and thus appears to be most suitable for large air gaps. It was demonstrated by simulation that the sensor arrangement 1 according to the invention can still provide continuous evaluable output signals at a magnetic gap with a width D1 of 5 mm despite a defined disturbance on the bar 30.
  • the magnet assembly 10 is designed as a multipole with at least two magnetically connected in series individual magnets 12, 14, which are arranged directly adjacent to each other. This embodiment is particularly suitable for small code distances K1, wherein in a small width D1 of the air gap can advantageously be dispensed with in addition to the yoke in an advantageous manner.
  • Embodiments of the present invention represent an internal magnetic structure which provides a comparatively strong magnetic field at the installation position of the integrated circuits or magnetic flux sensors used, which is necessary to avoid disturbances by remanent fields in the
  • Embodiments of the present invention may be used, for example, for displacement measurement in hydraulic cylinders with a piston rod used, for example, in the offshore, dredging, loading, and so on.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (1) zur Wegmessung einer Stange (30), deren Oberfläche eine mechanische Kodierung (32) aufweist, mit einer beabstandet zur Stange (30) angeordneten Magnetanordnung (10) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (18), dessen Magnetfeldlinien (18.1) über einen Luftspalt (26) zumindest teilweise in die kodierte Oberfläche (32) der Stange (30) eindringen, wobei im Luftspalt (26) mindestens ein Magnetflusssensor (22, 24) zur Erfassung von Informationen über das Magnetfeld (18) angeordnet ist, welcher zur Auswertung der erfassten Informationen des Magnetfeldes (18) mit einer Auswerte- und Steuereinheit (20) gekoppelt ist. Erfindungsgemäß umfasst die Magnetanordnung (10) mindestens zwei magnetisch in Reihe geschaltete Einzelmagnete (12, 14).

Description

Beschreibung
Titel
Sensoranordnunq zur Wegmessung einer Stange Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung zur Wegmessung einer Stange nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1. Für die Wegmessung bei hydraulischen Zylindern mit einer Kolbenstange, die beispielsweise im Offshore-, Bagger-, Verladungsbereich usw. eingesetzt werden, sind spezielle Sensoranordnungen verfügbar, welche insbesondere eine Kodierung abtasten können, welche für ein Ci S (Ceramax Integrated Measu- ring System) verwendet wird.
Das aus dem Stand der Technik bekannte CIMS verwendet eine Sensoranordnung zur Wegmessung einer Stange, deren Oberfläche eine mechanische Kodierung aufweist, welche beispielsweise magnetisch erfasst und ausgewertet werden kann. Die Sensorvorrichtung umfasst eine beabstandet zur Stange angeord- nete Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, dessen Magnetfeldlinien über einen Luftspalt zumindest teilweise in die kodierte Oberfläche der Stange eindringen, wobei im Luftspalt mindestens ein Magnetflusssensor zur Erfassung von Informationen über das Magnetfeld angeordnet ist, welcher zur Auswertung der erfassten Informationen des Magnetfeldes mit einer Auswerte- und Steuereinheit gekoppelt ist.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Wegmessung einer Stange mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass durch den erfindungsgemäßen internen magnetischen Aufbau an der Einbauposition des eingesetzten mindestens einen Magnetflusssensors ein vergleichsweise starkes Magnetfeld bereitgestellt wird, welches verhindert, dass Störungen durch remanente Felder in der Stange stark auf das Funktionssignal durchschlagen können. Durch die Reihenschaltung unterstützen sich die beiden Einzelmagnete beim Aufbau des Magnetfeldes.
Der Kern der Erfindung besteht im Aufbau der Magnetanordnung mit der Reihenschaltung von zwei Einzelmagneten, welche in vorteilhafter Weise bei nahezu gleichem Bauraum das stärkere Magnetfeld bewirken.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung zur Wegmessung einer Stange, deren Oberfläche eine mechanische Kodierung aufweist, mit einer beabstandet zur Stange angeordneten Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes zur Verfügung, dessen Magnetfeldlinien über ei- nen Luftspalt zumindest teilweise in die kodierte Oberfläche der Stange eindringen, wobei im Luftspalt mindestens ein Magnetflusssensor zur Erfassung von Informationen über das Magnetfeld angeordnet ist, welcher zur Auswertung der er- fassten Informationen des Magnetfeldes mit einer Auswerte- und Steuereinheit gekoppelt ist. Erfindungsgemäß umfasst die Magnetanordnung mindestens zwei magnetisch in Reihe geschaltete Einzelmagnete. Durch die mechanische Kodierung ändern sich die magnetischen Eigenschaften der Stange und somit der Magnetfluss des erzeugten Magnetfeldes. Diese Änderungen des Magnetflusses können von dem mindestens einen Magnetflusssensor detektiert und ausgewertet werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Sensoranordnung zur Wegmessung einer Stange möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die beiden Einzelmagnete über ein Joch mit einander gekoppelt sind, so dass innerhalb der Magnetanordnung ein geschlossener Teilmagnetkreis entsteht. Das Joch besteht vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material und leitet das Magnetfeld ohne nennenswerte Verluste. Durch die Verbindung der beiden Einzelmagnete über das Joch werden im Magnetkreis in vorteilhafter Weise große Luftspalte, welche für den Magnetkreis je- weils ungünstige Widerstände darstellen, insgesamt reduziert. Da der Magnetkreis nur noch den zu Messzwecken erforderlichen Luftspalt zwischen Magnet- anordnung und beweglicher Stange aufweist, kann man von einem geschlossenen Magnetkreis sprechen. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Magnet- anordnungen, welche beispielsweise gleich ausgerichtete Einzelmagnete oder eine magnetisch homogene Scheibe umfassen, verlaufen die Magnetfeldlinien des erzeugten Magnetfeldes auch außerhalb des Messluftspaltes über weite Strecken in der Luft. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Luftweg durch das neu eingeführte Joch und die Reihenschaltung der zwei Stützmagnete in vorteilhafter Weise stark verkürzt werden. Dadurch können an der Einbauposition des mindestens einen Magnetflusssensors auch bei einem größeren Abstand zur Magnetanordnung wieder Flussdichtewerte im Bereich von ungefähr 170mT erreicht werden, wodurch eine negative Beeinflussung des Messergebnisses durch remanente Störungen auf der Stange nahezu vermieden werden kann. Herkömmliche Sensoranordnungen erreichen dort lediglich ungefähr 30mT und können daher durch remanente Störungen auf der Stange bei der Auswertung gestört werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung erfasst die Auswerte- und Steuereinheit Änderungen der magnetischen Flussdichte über zwei im Luftspalt angeordnete Magnetflusssensoren und wertet diese zur Ermittlung einer Bewegung der Stange aus. in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist die Stange aus einem weichmagnetischen Material hergestellt, so dass der
Einfluss der mechanischen Kodierung auf den Magnetfluss des erzeugten Magnetfeldes in vorteilhafter Weise verstärkt und dadurch einfacher detektiert werden kann. Die mechanische Kodierung der Stange sollte so groß ausgeführt werden, dass die resultierende Magnetfeldänderung bzw. Magnetflussänderung von den Magnetflusssensoren detektiert werden kann. Zudem kann die Stange eine Be- schichtung, vorzugsweise eine Ceramax Beschichtung zur Erzeugung einer glatten Oberfläche über der Kodierung aufweisen. Die Beschichtung der Stange ermöglicht in vorteilhafter Weise die Bereitstellung von vorgegebenen Dicht- und Gleiteigenschaften der Stange, insbesondere wenn diese als Kolbenstange in ei- nem fluidischen System eingesetzt wird. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung kann die Magnetanordnung als Mehrpol, beispielsweise als Vierpol, mit mindestens zwei magnetisch in Reihe geschalteten Einzelmagneten ausgeführt werden, welche direkt nebeneinander angeordnet sind. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für kleine Kodeabstände, wobei bei einer kleinen Breite des Luftspaltes in vorteilhafter Weise zusätzlich auf das Joch verzichtet werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sind im Luftspalt zwei Magnetflusssensoren mit einem vorgegebenen axialen Abstand im Bezug auf die Stange angeordnet. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Erzeugung und Auswertung eines Differenzsignals zwischen den beiden Magnetflusssensoren, wodurch die Zuverlässigkeit und die Robustheit gegenüber Störungen der Wegemessung verbessert werden kann. In vorteilhafter Weise ist der axiale Abstand der beiden Magnetflusssensoren auf die magnetische Kodierung der Stange abgestimmt. Der mindestens eine Magnetflusssensor ist vorzugweise als Hallelement ausgeführt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit.
Fig. 2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines für die Simulation relevanten Ausschnitts einer CIMS-kodierten Kolbenstange mit magnetisch relevanten Elementen des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sensoreinheit aus Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Magnetkreises des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit aus Fig. 1 und 2. Fig. 4 zeigt ein Kennliniendiagramm zum Vergleich von Modulationsamplitude- Abstand-Kennlinien von Sensoreinheiten mit verschiedenen ferromagneti sehen Strukturen. Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 zur Wegmessung einer Stange 30, deren Oberfläche eine mechanische Kodierung 32 aufweist, welche magne- tisch erfasst und ausgewertet wird, eine Magnetanordnung 10 zur Erzeugung eines Magnetfeldes 18, welche beabstandet zur Stange 30 angeordnet ist, deren Bewegung erkannt und gemessen werden soll. Die Magnetfeldlinien 18.1 des erzeugten Magnetfeldes 5 dringen über einen Luftspalt 26 zumindest teilweise in die kodierte Oberfläche 32 der Stange 30 ein. Wie insbesondere aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist im Luftspalt 26 zwischen der Magnetanordnung 10 und der beweglichen Stange 30 mindestens ein Magnetflusssensor 22, 24 zur Erfassung von Informationen über das Magnetfeld 18 angeordnet. Der mindestens eine Magnetflusssensor 22, 24 ist vorzugsweise als Hallelement ausgeführt. Es können jedoch auch andere dem Fachmann bekannte Sensoren zur Erfassung des Magnetflusses verwendet werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Magnetflusssensoren 22, 24 mit einem vorgegebenen axialen Abstand D2 im Bezug auf die Stange 30 zueinander im Luftspalt 26 angeordnet. Zur Auswertung der erfassten Informationen des Magnetfeldes 18 sind die beiden Magnetflusssensoren 22, 24 über entsprechende Kommunikationsverbindungen mit ei- ner Auswerte- und Steuereinheit 20 gekoppelt, welche die ermittelte Weginformation der Stange 30 an übergeordnete System bzw. Funktionen weiterleitet. Somit erfasst die Auswerte- und Steuereinheit 20 durch die Kodierung 32 der Stange 30 bewirkte Änderungen der magnetischen Flussdichte über die beiden im Luftspalt 26 angeordneten Magnetflusssensoren 22, 24 und wertet diese zur Ermitt- lung einer Bewegung der Stange 30 aus.
Erfindungsgemäß umfasst die Magnetanordnung 10 mindestens zwei magnetisch in Reihe geschaltete Einzelmagnete 12, 14, um den Magnetfluss zu erhöhen bzw. das Magnetfeld 18 zu stärken. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Einzelmagnete 12, 14 über ein weichmagnetisches Joch 16 mit einander gekoppelt und unterstützen einander im Aufbau des Magnetfeldes 16, so dass innerhalb der Magnetanordnung 10 ein geschlossener Teilmagnetkreis entsteht und der Anteil der in Luft verlaufenden Magnetfeldlinien 18.1 und damit der magnetische Widerstand reduziert werden können. Das Joch 16 leitet den Magnetfluss ohne nennenswerte Verluste. Vorzugsweise ist die Stange 30 aus einem weichmagnetischen Material hergestellt und schließt den Magnetkreis.
Durch das weichmagnetische Material der Stange 30 wird der Einfluss der mechanischen Kodierung 32 auf die magnetischen Eigenschaften der Stange 30 in vorteilhafter Weise verstärkt.
Wie aus Fig. 1 und 2 weiter ersichtlich ist, weist die mechanische Kodierung 32 der Stange 30 einen vorgegebenen Kodeabstand K1 auf. Hierbei ist der Kodeabstand K1 der mechanischen Kodierung 32 der Stange 30 und der axiale Abstand D2 der beiden Magnetflusssensoren 22, 24 auf einander abgestimmt. Zur Erzeugung einer glatten Oberfläche weist die Stange 30 eine Beschichtung 34 auf, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel als Ceramax Beschichtung ausgeführt ist. Die beiden im Luftspalt 26 jeweils zwischen den Einzelmagneten 12, 14 und der Stange 30 angeordneten Magnetflusssensoren 22, 24 registrieren die Änderung der magnetischen Flussdichte während der Bewegung der Stange 30 in eine der beiden Bewegungsrichtungen R1 , R2. Dem Fachmann sind verschiedene in der Auswerte- und Steuereinheit 20 einsetzbare Auswerteverfahren zur Ermittlung des zurücklegten Weges der kodierten Stange 30 bekannt, so dass in der vorliegenden Beschreibung nicht im Detail darauf eingegangen wird.
Ein Maß für die Qualität des Magnetkreises ist das sogenannte Abstandsgesetz, das die Modulationsamplitude des jeweiligen Prinzips bei verschiedenen magnetischen Abständen von Magnetanordnung 10 zur Kodierung 32 der Stange 30 darstellt.
Fig. 4 zeigt verschiedene Modulationsamplitude-Abstand-Kennlinien von Sensor- anordnungen mit verschiedenen ferromagneti sehen Strukturen. Hierbei bezeichnet K-i die Modulationsamplitude-Abstand-Kennlinie einer Sensoranordnung mit einer Magnetanordnung, welche eine magnetisch homogene Scheibe umfasst. K2 bezeichnet die Modulationsamplitude-Abstand-Kennlinie einer Sensoranordnung mit einer Magnetanordnung, welche gleich ausgerichtete Einzelmagnete aufweist. KE bezeichnet die Modulationsamplitude-Abstand-Kennlinie der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 mit der Magnetanordnung 10, welche zwei über das Joch 16 in Reihe geschaltete Einzelmagnete 12, 14 umfasst. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist die Magnetanordnung mit der resultierenden Kennlinie K2 nahezu so effektiv wie die erfindungsgemäße Magnetanordnung mit der resultierenden Kennlinie KE, jedoch wird diese Bauform nicht mehr hergestellt und kann daher auch nicht mehr verwendet werden.
Wie aus Fig. 4 weiter ersichtlich ist, zeigt die erfindungsgemäße Ausführungsform der Sensoranordnung bei großen Luftspalten von allen betrachteten Prinzipien noch die größte Modulationsamplitude und scheint somit für große Luftspal- te am besten geeignet zu sein. Es wurde per Simulation nachgewiesen, dass die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 bei einem magnetischen Luftspalt mit einer Breite D1 von 5mm trotz definierter Störung auf der Stange 30 noch stetige auswertbare Ausgangssignale liefern kann. Bei einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform der Sensoreinheit ist die Magnetanordnung 10 als Mehrpol mit mindestens zwei magnetisch in Reihe geschaltete Einzelmagneten 12, 14 ausgeführt, welche direkt nebeneinander angeordnet sind. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für kleine Kodeabstände K1 , wobei bei einer kleinen Breite D1 des Luftspaltes in vorteilhafter Weise zusätzlich auf das Joch verzichtet werden kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen internen magnetischen Aufbau dar, welcher an der Einbauposition der eingesetzten integrierten Schaltkreise bzw. Magnetflusssensoren ein vergleichsweise starkes Magnetfeld bereitstellt, welches erforderlich ist, um Störungen durch remanente Felder in der
Stange weniger stark auf das Funktionssignal durchschlagen zu lassen. Der Kern der Erfindung ist der besondere Aufbau des Magnetkreises. Es wurde besonders darauf geachtet, dass große Luftspalte, welche für den Magnetkreis jeweils ungünstige Widerstände darstellen, insgesamt reduziert wurden. Durch die Reihen- Schaltung der zwei Stützmagnete und das neu eingeführte Joch kann bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Luftweg der Magnetfeldlinien stark verkürzt werden, so dass an der Einbauposition der Magnetflusssensoren trotz eines Luftspaltes mit einer größeren Breite Flussdichtewerte im Bereich von ungefähr 170mT erreicht werden können. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können beispielsweise für die Wegmessung bei hydraulischen Zylindern mit einer Kolbenstange verwendet werden, die beispielsweise im Offshore-, Bagger-, Verladungsbereich usw. eingesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Sensoranordnung zur Wegmessung einer Stange, deren Oberfläche eine mechanische Kodierung (32) aufweist, mit einer beabstandet zur Stange (30) angeordneten Magnetanordnung (10) zur Erzeugung eines Magnetfeldes
(18), dessen Magnetfeldlinien (18.1 ) über einen Luftspalt (26) zumindest teilweise in die kodierte Oberfläche (32) der Stange (30) eindringen, wobei im Luftspalt (26) mindestens ein Magnetflusssensor (22, 24) zur Erfassung von Informationen über das Magnetfeld (18) angeordnet ist, welcher zur Auswertung der erfassten Informationen des Magnetfeldes (18) mit einer
Auswerte- und Steuereinheit (20) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (10) mindestens zwei magnetisch in Reihe geschaltete Einzelmagnete (12, 14) umfasst.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Einzelmagnete (12, 14) über ein Joch (16) mit einander gekoppelt sind, so dass innerhalb der Magnetanordnung (10) ein geschlossener Teilmagnetkreis entsteht.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (20) Änderungen der magnetischen Flussdichte über zwei im Luftspalt (26) angeordnete Magnetflusssensoren (22, 24) erfasst und zur Ermittlung einer Bewegung der Stange (30) auswertet.
4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (30) aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist.
5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (30) eine Beschichtung (34) zur Erzeugung einer glatten Oberfläche aufweist.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (30) eine Ceramax Beschichtung (34) aufweist.
7. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (10) als Mehrpol mit mindestens zwei magnetisch in Reihe geschaltete Einzelmagneten (12, 14) ausgeführt ist, welche direkt nebeneinander angeordnet sind.
8. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Luftspalt (26) zwei Magnetflusssensoren (22, 24) mit einem vorgegebenen axialen Abstand (D1 ) im Bezug auf die Stange (30) angeordnet sind.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand (D1 ) der beiden Magnetflusssensoren (22, 24) auf die magnetische Kodierung (32) der Stange (30) abgestimmt ist.
10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Magnetflusssensor (22, 24) als Hallelement ausgeführt ist.
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