Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur
berührungslosen, drehrichtungserkennenden Drehzahlmessung an
rotierenden ferromagnetischen Teilen.
Es sind Anordnungen bekannt, die Verzerrungen des magnetischen
Streufeldes eines oder mehrerer Permanentmagnete durch
vorbeilaufende ferromagnetische Teile, z. B. durch den Zahn eines
Zahnrades, unter Verwendung magnetfeldempfindlicher Bauelemente
zur Drehzahlmessung bzw. zur Drehrichtungserkennung nutzen. Dabei
befindet sich das magnetfeldempfindliche Bauelement auf der, dem
bewegten ferromagnetischen Teil zugewandten Seite der
Permanentmagnetanordnung (DE OS 34 26 704) und ist damit großen
mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt.
Das ist von einigem Nachteil, da magnetfeldempfindliche
Bauelemente, insbesondere magnetoresistive Bauelemente,
temperaturabhängige Empfindlichkeiten aufweisen.
Eine weitere Erfindung (DE OS 20 20 122) sieht vor unter Verwendung
von nur einem Sensor, der jedoch zwei als Differentialgeber
geschaltet, magnetfeldempfindliche Widerstände enthält, die
Drehrichtungserkennung zu ermöglichen. Allerdings müssen die
beiden magnetfeldabhängigen Widerstände und die dazu in Reihe
zueinander geschalteten Referenzwiderstände entlang des Umkreises
des rotierenden ferromagnetischen Teils angeordnet und an die
Geometrie des Zahnrades angepaßt werden. Um ein eindeutiges
drehrichtungsanzeigendes Signal zu erhalten, müssen das
signalauslösende Zahnrad und der Sensor hinsichtlich ihrer
Geometrie aufeinander abgestimmt sein. Damit wird ein universeller
Einsatz, insbesondere eine Nachrüstung vorhandener Anlagen mit
Drehzahl- bzw. Drehrichtungsmeßtechnik, erschwert.The invention relates to a method and an arrangement for
non-contact, rotational direction-detecting speed measurement
rotating ferromagnetic parts.
Arrangements are known which reduce the distortion of the magnetic
Stray field of one or more permanent magnets
passing ferromagnetic parts, e.g. B. by a tooth
Gear, using magnetic field sensitive components
use for speed measurement or direction detection. Here
is the magnetic field sensitive component on the
moving ferromagnetic part facing side of the
Permanent magnet arrangement (DE OS 34 26 704) and is therefore large
exposed to mechanical and thermal loads.
This is somewhat disadvantageous since it is sensitive to magnetic fields
Components, in particular magnetoresistive components,
have temperature-dependent sensitivities.
Another invention (DE OS 20 20 122) provides for use
from only one sensor, but two as differential sensors
switched, contains magnetic field sensitive resistors that
To enable detection of the direction of rotation. However, they have to
two magnetic field-dependent resistors and those in series
interconnected reference resistors along the circumference
arranged of the rotating ferromagnetic part and to the
Geometry of the gear can be adjusted. To be clear
To get the signal indicating the direction of rotation, that
signal-triggering gear and the sensor with regard to their
Geometry must be coordinated. It becomes a universal one
Use, in particular retrofitting existing systems
Speed or direction of rotation measurement technology, difficult.
Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein Verfahren und eine
Anordnung zur berührungslosen, drehrichtungserkennenden
Drehzahlmessung an rotierenden ferromagnetischen Teilen zu
schaffen, die genannten Nachteile vermeidet, darüberhinaus
universell einsetzbar und nachrüstbar ist und unter extremen
Umgebungsbedingungen eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in
einem magnetfeldempfindlichen Bauelement, das, angeordnet auf der
Mittelachse hinter zwei axial magnetisierten, antiparallel in
einem gewissen Abstand und Winkel zueinander befindlichen
Permanentmagneten bei Vorbeilauf eines ferromagnetischen Teiles
ein richtungsabhängiges Signal erzeugt wird.
Das magnetfeldempfindliche Bauelement wird auf der, dem
ferromagnetischen Teil abgewandten Seite der Permanentmagnete
angeordnet.
Bei Annäherung eines ferromagnetischen Teiles wird das magnetische
Feld der beiden Permanentmagnete in dessen Richtung verzerrt ,wobei
der magnetische Fluß durch das magnetfeldempfindlichen Bauelement
bis zu dem Punkt stärker wird, an dem das ferromagnetische Teil
direkt über dem ersten Permanentmagneten steht, danach abfällt und
das Minimum zwischen beiden Permanentmagneten erreicht. Danach
wiederholt sich der Funktionsverlauf über dem zweiten
Permanentmagneten mit entgegengesetzter Polarität.
The object of the invention is accordingly a method and
Arrangement for non-contact, direction of rotation detection
Speed measurement on rotating ferromagnetic parts
create, avoids the disadvantages mentioned, moreover
is universally applicable and can be retrofitted and under extreme
Ambient conditions can be used.
The object is achieved in that in
a magnetic field sensitive device, which, arranged on the
Central axis behind two axially magnetized, antiparallel in
a certain distance and angle to each other
Permanent magnets when a ferromagnetic part passes
a directional signal is generated.
The magnetic field sensitive component is on the
Ferromagnetic part facing away from the permanent magnets
arranged.
When a ferromagnetic part approaches, the magnetic
Field of the two permanent magnets distorted in its direction, whereby
the magnetic flux through the magnetic field sensitive component
to the point where the ferromagnetic part becomes stronger
stands directly above the first permanent magnet, then falls off and
reached the minimum between the two permanent magnets. After that
the course of the function is repeated over the second
Permanent magnets with opposite polarity.
Die Verzerrung des magnetischen Feldes bei gleichzeitiger
Veränderung der Stärke des magnetischen Flusses wird im magnet
feldempfindlichen Bauelement in ein Spannungssignal umgewandelt.
Je nach Richtung der Annäherung des ferromagnetischen Teiles wird
vom magnetfeldempfindlichen Bauelement zuerst ein positiver oder
negativer Impuls generiert, wodurch ein von der Drehrichtung
abhängiges signifikantes Signal erzeugt wird.
In der Auswerteelektronik erfolgt nach Trennung des
Gleichanteils, der Verstärkung und der Triggerung des Signales die
Auswertung der Impulszahl pro Zeiteinheit für die Ermittlung der
Drehzahl und der Vergleich des Triggersignals mit dem Pausensignal
für die Richtungserkennung. Dabei wird durch die Wahl der
Triggerhysterese ein Triggersignal erzeugt, daß in Abhängigkeit von
der Drehrichtung größer oder kleiner als das Pausensignal ist. Je
nach Drehrichtung kann daraus z. B. ein statisches H- oder L-Signal
gebildet werden.The distortion of the magnetic field at the same time
Changing the strength of the magnetic flux is in the magnet
field-sensitive component converted into a voltage signal.
Depending on the direction of approach of the ferromagnetic part
of the magnetic field sensitive component first a positive or
negative pulse generated, causing one of the direction of rotation
dependent significant signal is generated.
In the evaluation electronics, after the
DC component, the amplification and triggering of the signal
Evaluation of the number of pulses per unit of time to determine the
Speed and the comparison of the trigger signal with the pause signal
for direction detection. The choice of
Trigger hysteresis generates a trigger signal that depends on
the direction of rotation is larger or smaller than the pause signal. Each
according to the direction of rotation z. B. a static H or L signal
be formed.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung. Fig. 1 shows an arrangement according to the invention.
Fig. 2 zeigt den Funktionsverlauf der magnetischen Feldstärke ohne
Einfluß eines ferromagnetischen Teiles 1. Fig. 2 shows the function course of the magnetic field strength without influence of a ferromagnetic part 1.
Fig. 3 zeigt den Funktionsverlauf der Ausgangsspannung am magnet
feldempfindlichen Bauelement 3 bei Vorbeilauf eines ferro
magnetischen Teiles 1 und die Triggersignale bei Rechts- und
Linkslauf. Fig. 3 shows the function of the output voltage on the magnetic field-sensitive component 3 when a ferro-magnetic part 1 passes and the trigger signals in clockwise and counterclockwise rotation.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung unter Verwendung eines
magnetoresistiven Bauelementes 3, das mit der empfindlichen Fläche
auf der Mittelachse zwischen zwei gleichen, axial magnetisierten,
antiparallel in einem gewissen Abstand angeordneten
Permanentmagneten 2a, 2b außerhalb des Zwischenraumes der beiden
Permanentmagnete 2a, 2b angeordnet ist.
Ohne Einfluß eines ferromagnetischen Teiles 1 ergibt sich auf der
in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Achse ein, wie in Fig. 2
wiedergegebener, antisymmetrischer Funktionsverlauf der
Komponenten Hxs und Hys der magnetischen Feldstärke entlang der,
auf die Vorspannrichtung (Hxs) und die empfindliche Richtung (Hys)
bezogenen Achsen.
Dabei stellen die Kurven Hx1 und Hy1 den Funktionsverlauf zweier
parallel und die Kurven Hx2 und Hy2 den Funktionsverlauf zweier in
einem zweckmäßigen Winkel zueinander angeordneter Permanentmagnete
2a, 2b dar.
Der Vergleich beider Funktionsverläufe zeigt,daß die Kurven Hx2
und Hy2 enger sind, wodurch eine höhere Auflösung von
vorbeilaufenden, ferromagnetischen Teilen, aber eine geringere
Entfernungsauflösung erzielt wird.
Die Zweckmäßigkeit der in einem Winkel angeordneten Permanent
magnete 2a, 2b ist dann gegeben, wenn zwischen dem Abstand der
Permanentmagnete 2a, 2b, dem Abstand der Permanentmagnete 2a, 2b zum
magnetfeldempfindlichen Bauelement 3, der Auflösung von
ferromagnetischen Teilen 1, dem Winkel selbst und der
Entfernungsauflösung ein Optimum erzielt ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, bei großen
ferromagnetischen Körpern die beiden Permanentmagnete (2a, 2b) nach
außen abzuwinkeln, wodurch diese Kurven weiter werden als die
Kurven Hx1 und Hy1, eine geringere Auflösung von ferromagnetischen
Teilen 1 aber eine größere Entfernungsauflösung entsteht.
Fig. 1 shows an arrangement using a magnetoresistive component 3 , with the sensitive surface on the central axis between two identical, axially magnetized, antiparallel arranged at a certain distance permanent magnets 2 a, 2 b outside the space between the two permanent magnets 2 a, 2nd b is arranged. Without the influence of a ferromagnetic part 1 , on the axis shown in dashed lines in FIG. 1, as shown in FIG. 2, the antisymmetric function curve of the components H xs and H ys of the magnetic field strength along, on the biasing direction (H xs ) and sensitive direction (H ys ) related axes. The curves H x1 and H y1 represent the function course of two parallel and the curves H x2 and H y2 the function course of two permanent magnets 2 a, 2 b arranged at an appropriate angle to one another. The comparison of the two function courses shows that the curves H x2 and H y2 are narrower, which results in a higher resolution of passing ferromagnetic parts, but a lower distance resolution. The expediency of the permanent magnets 2 a, 2 b arranged at an angle is given if between the distance of the permanent magnets 2 a, 2 b, the distance of the permanent magnets 2 a, 2 b to the magnetic field-sensitive component 3 , the resolution of ferromagnetic parts 1 , the angle itself and the distance resolution are optimal. Another possibility is to bend the two permanent magnets ( 2 a, 2 b) outwards in the case of large ferromagnetic bodies, as a result of which these curves become wider than the curves H x1 and H y1 , but a lower resolution of ferromagnetic parts 1, but a greater range resolution .
Die Größe der magnetischen Feldstärke am Ort der empfindlichen
Fläche des magnetoresistiven Bauelementes 3 ist vom Abstand zu den
Permanentmagneten 2a, 2b und deren Winkel zueinander abhängig und
kann optimiert werden.
Bei Vorbeilauf eines ferromagnetischen Teiles 1, z. B. der Zahn
eines Zahnrades, wird das magnetische Streufeld der
Permanentmagnete 2a, 2b in Abhängigkeit von der jeweiligen Position
des ferromagnetischen Teiles 1 verzerrt. Der zeitliche Verlauf der
Ausgangsspannung des magnetoresistiven Bauelementes 3 aus den
Änderungen der Feldstärkekomponenten Hxs und Hys ist hinsichtlich
ihrer Polarität von der Bewegungsrichtung des ferromagnetischen
Teiles 1 abhängig.
Der jeweils enthaltene Gleichfeldanteil wird durch die
Auswerteelektronik 4, z. B. durch ein RC-Glied, eleminiert werden. Das
Magnetfeldsignal wird mittels des magnetoresistiven Bauelementes 3
in ein von Hxs abhängiges, Hys proportionales Ausgangsspannungs
signal umgewandelt und der Auswerteelektronik 4 zugeführt.
Das im magnetoresistiven Bauelement 3 generierte
Ausgangsspannungssignal ist wie Fig. 3 zeigt, von der Drehrichtung
abhängig dargestellt. Je nach Anordnung der Permanentmagnete 2a, 2b
wird bei einer Rechtsdrehung nach der Pause zuerst das positive
Signal und bei einer Linksdrehung zuerst das negative Signal
generiert (Fig. 3).
Nach einer Verstärkung des Ausgangsspannungssignals erfolgt die
Triggerung. Die Triggerung erfolgt auf dem Spannungsniveau der
Punkte A und B in Fig. 3, wobei Punkt A den Beginn und Punkt B das
Ende der Triggerung darstellt. Denkbar ist auch die Vertauschung
von Beginn und Ende der Triggerung, wodurch auch das
Richtungssignal vertauscht wird.
Damit erfolgt bei Rechtslauf die Triggerung über den Plus- und
Minusimpuls und bei Linkslauf über Plusimpuls, Pause und
Minusimpuls. Es ergeben sich in Abhängigkeit von der Drehrichtung
unterschiedlich lange Triggerimpulse, die je nach Rechts- oder
Linkslauf kleiner oder größer als die halbe Periodendauer sind.
Diese Tastverhältnisse werden z. B. in einem Vorwärts- und
Rückwärtszählbaustein ausgewertet und in einer Folgelogik wird
daraus ein statisches, die Drehrichtung repräsentierendes H- oder L-
Signal erzeugt.
Außerdem wird die Anzahl der Triggerimpulse pro Zeiteinheit
gezählt und in Abhängigkeit von der am Umfang angeordneten Anzahl
ferromagnetischen Körper (Zähne, Schrauben o.a.) die Umdrehungszahl
pro Zeiteinheit ermittelt.
Die Permanentmagnete 2a, 2b, der magnetfeldabhängige Widerstand 3
sowie die Auswerteelektronik 4 werden zum mechanischen Schutz in
einem Gehäuse 5 aus schwachmagnetischem Material angeordnet.The size of the magnetic field strength at the location of the sensitive surface of the magnetoresistive component 3 depends on the distance to the permanent magnets 2 a, 2 b and their angle to one another and can be optimized. When a ferromagnetic part 1 , e.g. B. the tooth of a gear, the stray magnetic field of the permanent magnets 2 a, 2 b is distorted depending on the respective position of the ferromagnetic part 1 . The temporal course of the output voltage of the magnetoresistive component 3 from the changes in the field strength components H xs and H ys is dependent on the direction of movement of the ferromagnetic part 1 with regard to its polarity. The DC field component contained in each case is determined by the evaluation electronics 4 , e.g. B. be eliminated by an RC element. The magnetic field signal is converted by means of the magnetoresistive component 3 into an output voltage signal which is dependent on H xs and is proportional to H ys and is supplied to the evaluation electronics 4 . The output voltage signal generated in the magnetoresistive component 3 is shown, as shown in FIG. 3, depending on the direction of rotation. Depending on the arrangement of the permanent magnets 2 a, 2 b, the positive signal is generated first with a clockwise rotation after the pause and the negative signal is generated first with a counterclockwise rotation ( FIG. 3). After the output voltage signal has been amplified, triggering takes place. The triggering takes place at the voltage level of points A and B in FIG. 3, point A representing the start and point B the end of the triggering. It is also conceivable to swap the start and end of the trigger, which also swaps the direction signal. With clockwise rotation, triggering takes place via the plus and minus pulse and with counterclockwise rotation via plus pulse, pause and minus pulse. Depending on the direction of rotation, trigger pulses of different lengths result, which are smaller or larger than half the period, depending on clockwise or counter-clockwise rotation. These duty cycles are z. B. evaluated in a forward and backward counting block and in a follow-up logic a static, the direction of rotation representing H or L signal is generated. In addition, the number of trigger pulses per unit of time is counted and the number of revolutions per unit of time is determined as a function of the number of ferromagnetic bodies (teeth, screws or the like) arranged on the circumference. The permanent magnets 2 a, 2 b, the magnetic field-dependent resistor 3 and the evaluation electronics 4 are arranged for mechanical protection in a housing 5 made of weakly magnetic material.