DE10119703A1 - Vorrichtung zur Erkennung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit eines Körpers mit ferromagnetischen Eigenschaften sowie Verwendung der Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit eines Körpers mit ferromagnetischen Eigenschaften, wobei die Position, die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Körpers erkannt werden soll, wenn sich dieser hinter einer Wand befindet, wobei ein Magnetfeldsensor vorhanden ist, wobei die Position, die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Körpers erkennbar ist durch die Änderung des Magnetfeldes aufgrund der Positionsänderungen des Körpers. Die Vorrichtung kann verwendet werden zur Erkennung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit eines Stellgliedes eines Stellantriebes wie auch eines Molchkörpers.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit eines Körpers mit ferromagnetischen Eigenschaften nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Verwendung der Vorrichtung gemäß Patentansprüchen 10 sowie 12.

Die Detektierung ferromagnetischer Stoffe und Körper insbesondere durch ferromagnetische Wandungen hindurch stellt im Bereich der Technik ein unzureichend gelöstes Problem dar. Eine typische Anwendung ist die Positionsbestimmung von Hydraulikkolben aus ferromagnetischem Stahl durch die Wandung des Hydraulikzylinders aus ferromagnetischem Stahl hindurch. Als passive Systeme ohne eigene Energieversorgung im Hydraulikkolben kommen nach dem bekannten Stand der Technik Markierungen mit radioaktiven Stoffen in Frage. Die Strahlung dieser radioaktiven Markierung durchdringt den Kolben und den Zylinder und kann in einem Sensor, der am Außenmantel des Hydraulikzylinders angebracht ist, detektiert werden. Nachteilig ist in jedem Fall die Anwendung von radioaktiven Stoffen, nicht nur aus Kostengründen sondern auch unter dem Gesichtspunkt der Umwelthygiene und Strahlenbelastung. Einsatz findet diese Kombination daher überwiegend in hoch­ sicherheitsrelevanten Anwendungen.

Als Alternative zur Markierung mit radioaktiven Stoffen kommt die Markierung mit einem starken Magnetfeld in Frage. Dazu wird z. B. im Hydraulikkolben ein ausreichend starker Permanentmagnet platziert. Beim Einsatz von ferromagnetischen Kolben- und Zylindermaterialien ist diese Kombination bei Anwendung herkömmlicher Magnetsensoren (Reed-Kontakt, Hall-Sensor etc.) nur bedingt effektiv, weil das Magnetfeld des Magneten im Kolben durch die ferromagnetische Zylinderwandung nahezu vollständig abgeschirmt bzw. kurzgeschlossen wird. So ist durch die DE 197 11 781 C2 eine Vorrichtung bekannt geworden, die eine Platzierung mehrerer Permanentmagnete möglichst dicht an der ferromagnetischen Wandung erfordert, um über Streufeldeinflüsse die Position eines Stellgliedes zu detektieren.

Eine andere Anwendung liegt im Bereich der sogenannten Molchtechnik. Dabei werden in abgeschlossenen Rohrsystemen aus ferromagnetischem Material oder Edelstahl elastische Formkörper, z. B. zur Reinigung der Innenwandungen, mit Hilfe von Druckluft von einem Ort zum anderen befördert. Neben dem reinen Reinigungseffekt findet diese Technologie zu­ nehmend Einsatz beim Stofftransport in der chemischen Industrie. Transportiert werden können mit diesem System alle Arten von Chemikalien, Flüssigkeiten, zähflüssige Stoffe und selbst Stäube. Mit Hilfe der Molchtechnik lassen sich so auch geringste Mengen verschiedener Chemikalien über eine einzelne Leitung transportieren. Der Chemikalientransport erfolgt dabei in der Form, dass ein derartiger Molch einem solchen Materialtransport vorangeschickt wird, dann folgt die entsprechende Menge des Mediums und abschließend ein weiterer Molch. Je nach Art der transportierten Chemikalie erfolgt danach möglicherweise eine Charge Reinigungsflüssigkeit, wiederum gefolgt von einem Molch, wonach dann die Leitung ausreichend gereinigt ist für andere, weitere Chemikalientransporte. Allein die oben dargestellte Transportmaßnahme erfordert 3 derartige Molche. Hier ergibt sich nun nach dem Stand der Technik das Problem der eindeutigen Molcherkennung, um die Molche innerhalb eines weitverzweigten Leitungssystems räumlich und sachlich eindeutig zuordnen zu können. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Beobachtung und Verfolgung der Molche im Sinne einer vorbeugenden Wartung auf mögliche Veränderungen und Beeinträchtigungen der Funktionsfähigkeit. Dies kann durch statistische Auswertung der zurückgelegten Wege des jeweiligen Molches geschehen, um Verschleiß und Abnutzung nach Erfahrungswerten zu kalkulieren. Wichtig ist dabei die eindeutige Identifikation des einzelnen Molches, um in einem übergeordneten Leitrechner Positionen, zurückgelegte Wege etc. zu registrieren. Dazu muss also durch die Wandung eines ferromagnetischen- oder Edelstahlrohres hindurch eine bestimmte Anzahl von Molchen eindeutig voneinander differenziert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsbestimmung bzw. Identifikation von ferromagnetischen Körpern auf einfache Weise mit einfachen Mitteln zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, bei der ein Magnetfeldsensor vorhanden ist, wobei die Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit des Körpers erkennbar ist durch die Änderung des Magnetfeldes aufgrund der Positionsänderungen des Körpers.

Es kann also eine Erfassung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit beweglicher ferromagnetischer Körper durch die Wandung ferromagnetischer bzw. nicht­ ferromagnetischer Materialien hindurch erfolgen, indem mit Hilfe entsprechend empfindlicher Magnetsensoren die Veränderung des am Messort vorhandenen Gesamtmagnetfeldes, bestehend aus Erdfeld und überlagerten statischen und dynamischen Hintergrundfeldern, die zum Teil durch den ferromagnetischen Körper selbst erzeugt werden, durch das Eintreten eines ferromagnetischen Körpers in das Messfeld des Sensors, detektiert wird. Das am Messort vorhandene Gesamtfeld kann auch eine statische, periodisch gepulste oder periodische Komponente enthalten, die gezielt extern erzeugt wird und deren Veränderung am Ort des Sensors infolge der Anwesenheit des beweglichen ferromagnetischen Körpers detek­ tiert wird.

Sofern die Wandung aus nicht magnetischem Material besteht, kann dieses Material beispielsweise rostfreier Stahl, Aluminium, Messing sein oder auch Keramik oder Kunststoff.

Für die praktische Anwendung von besonderem Vorteil ist die Tatsache, dass der Sensor nicht auf der Wandung des ferromagnetischen oder nicht ferromagnetischen Gehäuses bzw. eines Zylinderrohres oder einer Rohrleitung aufgebracht sein muss, sondern in einem eigenen Sensorgehäuse frei und beliebig positioniert werden kann. Es bieten sich insbesondere handelsübliche Magnetowiderstandssensoren (AMR und bevorzugt GMR) an, wie auch die bisher ausschließlich als Prototypen verfügbaren CMR-Sensoren.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 weist der Körper eine Oberflächenstruktur auf. Anhand der Änderungen des Magnetfeldes aufgrund der Position des Körpers ist die Position des Körpers im Sinne einer Wegmessung erfassbar. Alternativ oder zusätzlich können die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Körpers erkannt werden.

Durch die Oberflächenstruktur ergeben sich abhängig von der Position des Körpers unterschiedlich starke Einflüsse auf das Magnetfeld. Dadurch kann durch eine Auswertung des Magnetfeldes an einem bestimmten Punkt auf die Position des Körpers geschlossen werden. Indem der zeitliche Verlauf des Signals ausgewertet wird, kann auch die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Körpers erkannt werden.

Alternativ zur Bestimmung der Position im Sinne einer kontinuierlichen Wegmessung kann auch eine Auswertung im Sinne des Erreichens einer oder mehrerer Sollpositionen als Schwellwerte vorgenommen werden.

Die Oberflächenstruktur kann dabei gemäß Anspruch 3 stufenförmig ausgebildet sein oder auch gemäß Anspruch 4 einen stetig differenzierbaren Verlauf aufweisen.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 sind mehrere Sensoren vorhanden, wobei aufgrund der räumlichen Verteilung der Sensoren die Sensorsignale im Hinblick auf die Erkennung der Position des Körpers im Sinne einer Wegmessung, auf die Erkennung der Bewegungsrichtung des Körpers und/oder auf die Erkennung der Geschwindigkeit des Körpers auswertbar sind.

Durch die räumliche Zuordnung der Sensoren können die Sensorsignale in ihrem zeitlichen Verlauf so ausgewertet werden, dass die entsprechenden Größen erkennbar sind.

Gemäß Anspruch 6 können der Magnetfeldsensor bzw. die Magnetfeldsensoren in Siebdrucktechnologie hergestellt werden mit einer magnetsensitiven Druckpaste.

Diese Siebdrucktechnologie ist aus der Dickfilmhybridtechnik dem Grunde nach bekannt.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 7 ist ein Permanentmagnet vorhanden zur Festlegung eines Arbeitspunktes des Magnetfeldsensors.

Dadurch wird eine magnetische Vorspannung des Magnetfeldsensors bewirkt. Diesem kann dadurch ein Magnetfeld geeigneter Stärke vorgegeben werden, das hinsichtlich seiner Änderungen durch die Positionsänderung des Körpers auswertbar ist.

Gemäß Anspruch 8 wird der Magnetfeldsensor gradiometrisch in erster oder zweiter Ordnung verschaltet.

Dadurch können vorteilhaft Einflüsse äußerer Störfelder minimiert werden.

Aus Gründen der Kompensation ihres Temperaturganges können die Magnetfeldsensoren bevorzugt alternativ oder auch zusätzlich in Brückenschaltung geschaltet sein.

Bei der Vorrichtung nach Anspruch 9 ist ein ortsfestes, periodisch pulsförmiges Magnetfeld erzeugbar.

Unter bestimmten Umgebungsbedingungen kann ein solches Magnetfeld geeigneter sein, die erfindungsgemäße Positionserkennung durchzuführen.

Anspruch 10 betrifft eine Verwendung der Vorrichtung zur Erkennung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit eines Stellgliedes eines Stellantriebes, wobei das Stellglied aus ferromagnetischem Material besteht.

Dadurch können vorteilhaft die eingangs im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Probleme bei der Magnetisierung des Stellgliedes vermieden werden.

Gemäß Anspruch 11 kann die Wandung des Stellantriebes aus ferromagnetischem Material oder aus nicht magnetischem bzw. nicht magnetisierbaren Material bestehen.

Dadurch ist vorteilhaft ein weites Einsatzfeld gegeben.

Gemäß Anspruch 12 kann die Vorrichtung verwendet werden zur Erkennung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit eines Molchkörpers zum Transport von Flüssigkeiten, Gasen, pastösen Stoffen oder Stäuben innerhalb von Rohrleitungssystemen, wobei der Molchkörper zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Stoff besteht.

Damit können vorteilhaft die eingangs beschriebenen Probleme bei der Verwendung der Molchkörper gelöst werden.

Gemäß Anspruch 13 sind verschiedene Molchkörper durch unterschiedliche geometrische Strukturen der ferromagnetischen Stoffe unterscheidbar.

Dadurch können beispielsweise individuell zu den einzelnen Molchkörpern die von diesen zurückgelegten Wegstrecken bzw. Betriebsdauern ermittelt werden.

Von besonderem Vorteil der erfindungsgemäßen Sensortechnologie ist dabei die Differenzie­ rungsmöglichkeit unterschiedlicher ferromagnetischer Stoffe ohne permanent magnetische Eigenschaften und die Kombination mit Permanentmagneten unterschiedlicher Stärke zur Positionsbestimmung (Hydraulikzylinder) bzw. Identifikation (Molchtechnik).

Es ist dabei ersichtlich, dass aus den beschriebenen gemessenen Größen auch andere Größen wie beispielsweise zurückgelegte Wegstrecken ermittelt werden können, indem die entsprechenden Größen aufintegriert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten ist in der Zeichnung näher dargestellt. Die Figuren sind nachfolgend erläutert.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Beispiel zur einfachen Bestimmung der Position eines Hydraulikkolbens. Dabei ist ein Sensor 101 zu sehen, der an der Außenfläche einer Wand 102 eines Stellantriebes angebracht ist. Diese Wand 102 kann beispielsweise aus ferromagnetischem Material bestehen. Weiterhin ist ein Stellglied 103 zu sehen, das aus einem ferromagnetischen Material besteht. Dieses Stellglied 103 kann ein Hydraulikkolben sein. Bei einer Bewegung des Stellgliedes 103 ändert sich das Magnetfeld am Ort des Sensors 101. Durch eine Auswertung des Sensorsignals kann also eine Aussage über die Position des Stellgliedes 103 gemacht werden.

Fig. 2 zeigt ein entsprechendes Beispiel für eine Positionsbestimmung mit zusätzlicher Ver­ besserung der Ortsauflösung durch die Detektierung unterschiedlich großer ferromagnetischer Massen infolge einer strukturiert ausgebildeten Front des Stellgliedes 203. Durch die gestufte Ausbildung ändert sich das Magnetfeld nicht abrupt sondern langsamer, so dass durch eine Auswertung der Änderung des Magnetfeldes die Position des Stellgliedes 103 entsprechend genauer bestimmt werden kann.

Fig. 3 zeigt eine invers strukturierte Front des Stellgliedes 303 zu dem Ausführungsbeispiel des Stellgliedes in Fig. 2.

Es ist beispielsweise auch denkbar, dass die Oberflächenstruktur des Stellgliedes nicht stufenförmig verläuft sondern stetig differenzierbar ist. Das bedeutet beispielsweise, dass das Stellglied an seinem vorderen Ende halbrund oder ellipsoid ausgebildet sein kann.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der eine zusätzliche Orts- und Positionsbestimmung eines Hydraulikkolbens mit Hilfe eines linearen Sensor-Arrays vorgenommen werden kann, das aus mehreren Sensoren 401, 402, 403 besteht. In dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Stellglied 404 wieder mit gerader Front dargestellt. Es kann jedoch auch zusätzlich zur Verbesserung der Auswertungsmöglichkeiten der Sensorsignale eine "Kodierung" des Stellgliedes beispielsweise entsprechend der Darstellung und der Beschreibung der Fig. 2 und 3 vorgenommen werden.

Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Beispiel zur einfachen Molchdetektierung. Dabei ist ein Molch 501 zu sehen, der in einer Rohrleitung 502 entlang läuft. Dieser Molch weist in seinem Inneren einen Bestandteil 503 aus einem ferromagnetischen Material auf. Mit einem außen an der Rohrleitung 502 angebrachten Magnetfeldsensor 504 kann wiederum die Position des Molches erkannt werden.

Fig. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Beispiel zur Molchdetektierung, jedoch mit strukturiert ausgeführter Anordnung eines Kodierkörpers zur individuellen Identifikation des jeweiligen Molchkörpers.

Vorteilhaft kann bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eine Kalibrierung am Einsatzort vorgenommen werden, indem der bewegliche Körper mit definierter Geschwindigkeit bewegt wird bzw. in definierte Positionen bewegt wird. Es kann dann die Stärke des Magnetfeldes ermittelt werden, die der jeweiligen definierten Bedingung zugeordnet ist. Dadurch kann eine Kennlinie bzw. ein Kennfeld für die Änderung des Magnetfeldes am Messort festgelegt werden, anhand dem im laufenden Betrieb die entsprechende Größe des beweglichen Körpers aufgrund des gemessenen Magnetfeldes bestimmt werden kann.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Erkennung der Position, Bewegungsrichtung und/oder Geschwindigkeit eines Körpers (103, 203, 303, 404, 501) mit ferromagnetischen Eigenschaften, wobei die Position, die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Körpers (103, 203, 303, 404, 501) erkannt werden soll, wenn sich dieser hinter einer Wand (102, 502) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeldsensor (101, 401, 402, 403, 504) vorhanden ist, wobei die Position, die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Körpers (103, 203, 303, 404, 501) erkennbar ist durch die Änderung des Magnetfeldes aufgrund der Positionsänderungen des Körpers (103, 203, 303, 404, 501).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (203, 303) eine Oberflächenstruktur aufweist und dass anhand der Änderungen des Magnetfeldes aufgrund der Position des Körpers (203, 303) die Position des Körpers (203, 303) im Sinne einer Wegmessung, die Bewegungsrichtung des Körpers (203, 303) und/oder die Geschwindigkeit des Körpers (203, 303) erfassbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur stufenförmig ausgebildet ist (203, 303).

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur stetig differenzierbar ausgeführt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren (401, 402, 403) vorhanden sind, wobei aufgrund der räumlichen Verteilung der Sensoren (401, 402, 403) die Sensorsignale im Hinblick auf die Erkennung der Position des Körpers (404) im Sinne einer Wegmessung, auf die Erkennung der Bewegungsrichtung des Körpers (404) und/oder auf die Erkennung der Geschwindigkeit des Körpers (404) auswertbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor bzw. die Magnetfeldsensoren in Siebdrucktechnologie hergestellt werden mit einer magnetsensitiven Druckpaste.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Permanentmagnet vorhanden ist zur Festlegung eines Arbeitspunktes des Magnetfeldsensors.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor gradiometrisch in erster oder zweiter Ordnung verschaltet wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein ortsfestes, periodisch pulsförmiges Magnetfeld erzeugbar ist.

10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Positionserkennung eines Stellgliedes (103, 20,3 303, 404) eines Stellantriebes, wobei das Stellglied (103, 20,3 303, 404) zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material besteht.

11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (102) des Stellantriebes aus ferromagnetischem Material oder aus nicht magnetischem bzw. nicht magnetisierbaren Material besteht.

12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Positionserkennung eines Molchkörpers (501) zum Transport von Flüssigkeiten, Gasen, pastösen Stoffen oder Stäuben innerhalb von Rohrleitungssystemen (502), wobei der Molchkörper (501) zumindest teilweise aus einem ferromagnetischen Stoff (503) besteht.

13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Molchkörper (501) durch unterschiedliche geometrische Strukturen der ferromagnetischen Stoffe unterscheidbar sind (503).