DE4133365C2

DE4133365C2 - Measurement transmission system

Info

Publication number: DE4133365C2
Application number: DE19914133365
Authority: DE
Inventors: Eckart Kinderling
Original assignee: INNOTECH MICROELECTRONIC GmbH
Current assignee: INNOTECH MICROELECTRONIC GmbH
Priority date: 1991-10-09
Filing date: 1991-10-09
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2011-10-10
Also published as: DE4133365A1

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.The invention relates to a measured value transmission system according to the preamble of claim 1 as z. B. from the DE 32 05 460 A1 is known.

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 technology, there is always a challenge tion after the measured value acquisition on moving Machine parts, such as rolls, containers (autoclaves) etc. The most common measurements are temperatures and Print. As a rule, transfers are with grinding rings or telemetry systems are complex. Therefore one has already suggested the temperature is dependent speed of permanent magnets on the rotating part strengthens to take advantage and the field strength change the stationary side with a sensor. It is also known the shift from Magne due to pressure changes and thus a field strength no change can be used for the measurement (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.The field strength changes are in both fonts measured on permanent magnets. This also becomes a Lack of at least the second font clearly: It will not just be a pressure change due to displacement measured by a magnet, but at the same time its temperature change. This may be the case with the o.g. Invention be less of a concern as it is based on another application is matched and there the accuracy necessary for this purpose is not so is high, but it is particularly in industry area or in process engineering to neglect.

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.The first method of temperature measurement with magnets also has certain advantages and disadvantages: it is proposed to use a Hall sensor as a magnetic field sensor. This responds to the B field of the magnet. As can be seen from Fig. 3 of this document, the temperature dependence of the magnet is relatively low here compared to the H field with a high initial field. Another disadvantage here is that the Hall sensor as a semiconductor sel is strongly temperature-dependent and requires a temperature compensation.

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.It is an object of the present invention, the parts of both inventions to avoid and a measurement value recording system with which it is based on a fold way, especially without the moving part supplying electrical energy is possible or several other measured variables that consist of a small NEN mechanical movement arise such. B. pressure, Path, speed, acceleration, force etc., but also to record temperatures.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kenn zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.This problem is solved by the kenn characterizing features of claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteran sprüchen angegeben.Advantageous further training are in the Unteran sayings.

Dazu werden erfindungsgemäß die Grundideen beider Schriften miteinander kombiniert und so abgewandelt, daß die Nachteile beider vermieden werden:According to the invention, the basic ideas of both Fonts combined and modified so that the disadvantages of both are avoided:

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.The Hall sensor in DE 32 05 460 A1 is replaced by a magnetoresistive sensor bridge circuit, as is available on the market. The bridge circuit largely avoids the after parts of a semiconductor of the strong temperature dependency, on the other hand, a magnetoresistive sensor, in contrast to a Hall sensor, only responds to the H field. As can be seen from Fig. 3, however, the H field has a much more favorable course in terms of linearity and resolution, so that there is a noticeable improvement over the above-mentioned document. However, this is not the basic idea of the present invention, but the avoidance of temperature errors in the transmission of signals, which arises from slight displacements of the magnet or an iron yoke in front of the magnet by the measured variable, in which two or more magnets of the same type are used fixed for temperature measurement and one or more for the detection of small movements as a measured variable. It is advantageous, in order to avoid errors due to different characteristics of the magnetoresistive sensors, to arrange the magnets one behind the other on the movement path and to query them accordingly.

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.It is also convenient to use the magnets that have a layer Experienced change by the measured variable, so to bring that they are in their rest position in the approx same distance from the sensor as the magnet for temperature measurement. In this way the errors between the temperature meas and the second measurement. At a such adjustment should be the value of the Ver always push the changed field smaller or be larger than that of the temperature magnet, so an identification e.g. B. by a microprocessor is easily possible.

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.An arrangement of the magnets next to each other can particularly then bring other advantages, if by the thus created patterns several measured values who recognized can or at the same time a forward / backward downward detection is to be made with it. In order to is the advantage ar only with a magnetic field sensor to be able to work, but lost and the under different characteristics and offset voltages must be taken into account.

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. In the event that on the moving machines part of a power supply is, can the same transmission principle also with current through perform flowing coils, one with constant current for temperature detection, one for measurement value. This possibility actually contradicts that The basic idea of this invention and is intended only as white Other possibilities are shown when the measured value does not translate into a mechanical field change zen lets.

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.The evaluation can be done conventionally by bridge ver stronger for the resistance bridge and analog / digital Follow-up circuits or preferably with a microprocessor that is simple and well known Type both the possible correction of the measured values as well as the assignment of the individual measurement signals can take over. Possibly. is also the use of Integrated component optimized especially for this NEN, e.g. B. ASICs an advantage.

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.Thus, according to the task, a simple process is on given after touching in some cases go and without energy supply measured values of one yourself moving machine part on a fixed part (Ge scaffolding, frame, bearing block or similar) without errors, esp have special temperature errors transmitted.

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. Fig. 1 shows the basic idea of the invention: The field strength of a fixed magnet 55 ) and the change in field strength by shifting its position by the measured variable or by moving an iron yoke ( 56 ) on a rotating or otherwise moving machine part is one after the other recorded by a magnetic field sensor ( 22 ). If one assumes that the change due to the measured variable causes a reduction in the field strength, then a measured value can only be smaller than a pure temperature value. This makes it easy to see which is the measured value and which is the temperature value.

In der Abb. 2 ist die bekannte Hysteresekurve mit dem II. Quadranten zu sehen, der in den folgenden Kurven nur noch dargestellt wird. Fig. 2 shows the well-known hysteresis curve with the second quadrant, which is only shown in the following curves.

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. Fig. 3 shows the characteristic of an industrially manufactured neodynium iron boron magnet in the second quadrant of the characteristic field with the temperature as a parameter. As expected, at the highest temperatures of 140 ° C (curve 12 ), due to the higher lattice mobility, both the B-field and the H-field are smallest and at curve 8 ) (-20 ° C) the greatest. Curves 9 ), 10 ), 11 ) are corresponding intermediate values. The working lines 13 ) are drawn in the L / D ratios from 0.1 (very flat straight line) to 4.0 (steepest straight line). The characteristic curves are only somewhat linear in these areas, while work lines that run through the break points have a strongly curved characteristic curve.

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.This behavior is shown in Fig. 4 for induction B: curve 14 corresponds to the working straight line for L / D = 4, curve 16 applies to the working straight line 0.25. Curve 15 runs through the break point and is curved accordingly.

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. Fig. 5 corresponds to Fig. 4, but here the behavior in the H field is shown. The favorable curve for a working line 0.25 can be clearly seen, with which a good stroke of the field strength can be achieved for a high resolution.

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. Fig. 6 shows a possible evaluation circuit in which the magnetoresistive bridge circuit 22 ) is fed by an AC voltage generator 21 ). The AC voltage at the bridge diagonal, which changes proportionally with the magnetic field, is amplified ( 26 ) and rectified ( 28 ). A filter ( 27 ) ensures that only the generator frequency is let through and interference is largely suppressed. After rectification 28 ) and an analog / digital conversion, the measured value is normally fed to a microprocessor for evaluation and linearization, but purely analog evaluations are also possible.

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. Fig. 7.1 to 7.4 show basic arrangements with which a movement measurement is possible. Fig. 7.1 and Fig. 7.3 are arrangements for a straight movement, the arrangement Fig. 7.2 and Fig. 7.4 for a rotary movement.

Claims

1 . Measured value transmission system for the contactless and auxiliary energy-free transmission of some suitable measured quantities, namely, which can cause a small movement, from a moving machine part to a fixed receiver by means of permanent magnets as sensors, characterized in that the transmission value by rotation, displacement or Change due to an additional iron yoke-producing magnet due to the measured variable in its temperature behavior is compensated for by a second, in relation to the first fixed magnet, that the field strengths of both magnets are queried in succession or in parallel by fixed magnetic field sensors and the temperature influence corresponding to that by the measured variable generated characteristic is subtracted.

2. Measurement value transmission system according to claim 1, characterized characterized in that the two magnets for avoidance of additional errors are the same, both from the Design as well as the material, ideally from the from the same batch.

3. data acquisition system according to claim 1 and 2, there characterized in that both magnets are thermal are coupled, e.g. B. by spatial proximity and metal connection.

4. data acquisition system according to claim 1, characterized ge indicates that the temperature reading in known Way can also be used as a second measurand can.

5. data acquisition system according to claim 1, characterized ge indicates that the evaluation preferably with a microprocessor, which is the characteristics of Field strength changes through the measured variables and contains spatial (mechanical) arrangement.

6. Measurement value acquisition system according to claim 5, characterized ge indicates that the evaluation by specifically there for manufactured highly integrated circuits, e.g. B. ASICs.

7. measurement data acquisition system according to claim 1, characterized ge indicates that the variable by the measured variable Magnet a little smaller in its rest position Magnetic field generated as the fixed for the tem temperature measurement, if the field ge weakens or is larger if by the measurement size the field is strengthened so that when unequivocal assignment is possible.

8. data acquisition system according to claim 1 to 6, there characterized in that to identify several measuring points the temperature measuring signal as Re reference is taken for a count.

9. data acquisition system according to claim 1 to 6, there characterized in that to identify several measured variables in different patterns can be arranged on the moving part.

10. data acquisition system according to claim 1 to 8, there characterized in that the pattern for identifi Ornamentation according to claim 7 and 8 at the same time serve to determine the direction of rotation.