确定电磁铁衔铁位置的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于确定电磁铁的衔铁位置的方法和装置，其例如作为控制元件用于操纵机械或电气部件。

在电磁铁的许多应用中，希望监视衔铁位置，以便例如能够相应地检测由电磁铁操纵的机构的当前状态。具体的例子是监视借助电磁铁操纵的防火门的打开或关闭位置，或监视对阀门的操纵。

背景技术：

迄今为止、用于监视电磁铁的衔铁位置的解决方案使用传感器、视频分析或对电磁铁的励磁电流的分析。然而，在使用传感器的情况下，在设计电磁铁的磁路时就必须考虑电磁铁的应用或位置。通过视频分析来分析衔铁位置是麻烦且昂贵的。

从文献de19505219a1中已知一种用于检测电磁调节设备的衔铁位置的装置，其不需要安装位置传感器。在该装置中检测电磁铁的线圈电压和线圈电流，以便从中导出起重电磁铁的衔铁的当前位置。

文献de102012005685a1描述了一种用于在没有传感器的情况下确定电磁铁的衔铁位置的方法，其中衔铁位置由流过电磁铁的线圈的电流的交流电压分量与交流电流分量之间的相位偏移确定。

从文献de102013215939a1和de2226101已知用于在没有传感器的情况下确定电磁铁的衔铁位置的方法。在首先提到的文献中，为此使用磁铁线圈的与衔铁位置相关的电感变化，该磁铁移动衔铁。在第二提到的文献中，与衔铁位置相关的磁通分布通过适当布置的线圈中的感应电压的变化来检测。

a.ambia等人于2008年在internationaljournalofelectrical,computer,energetic,electronicandcommunicationengineeringvol.2，nr.4，2008，第597-600页发表的公开文献“electricalimpedanceimagingusingeddycurrent”中描述了用于确定样品内部的电导率的空间分布的电阻抗断层成像技术。在此利用以下事实：线圈的磁场在样品中引起涡流分布，该涡流分布与样品中的电导率分布以及磁场的场分布相关。由磁芯与样品的不同间距引起的样品中的电压差在样品上的两个位置之间进行测量，并且然后根据不同的测量产生样品内部的电导率分布的图像。因此，该公开文献涉及完全不同的技术领域。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于确定电磁铁的衔铁位置的方法和装置，其可以低成本地实现，并且还可以容易后补地应用到现有的磁铁系统。

该技术问题通过根据权利要求1和10的方法和装置来解决。该方法和装置的有利的设计方案是从属权利要求的内容，或者可以从下面的描述和实施例得出。

在所提出的用于确定电磁铁的衔铁位置的方法中，在电磁铁的磁轭或衔铁上测量在磁轭或衔铁上的两个测量点之间的，或者在磁轭或衔铁上的测量点与参考电位之间的至少一个电压差，并且根据测得的电压差确定衔铁相对于电磁铁上的参考位置的位置。所述测量在电磁铁的运行期间，即在电流流过电磁铁的线圈期间进行。所述测量可以连续地或重复地进行，或者仅在要检测衔铁位置时进行。在此，通过测量电压差确定(偏离零位置的)衔铁位置的前提是，分别待确定的衔铁位置引起在磁轭中感应出的涡流的不均匀分布。在电磁铁的许多设计中和/或许多衔铁位置中是这种情况。选择磁轭或衔铁上的测量点的位置，使得可以通过测得的电压差来检测由衔铁在从零位置偏移时的相应的位置引起的磁轭或衔铁中的电位差或电位变化。在此，零位置被理解为如下的衔铁位置，在该位置中在磁轭或衔铁中存在均匀的涡流分布并且因此没有电位差，特别是衔铁在磁轭上的静止位置。

因此，该方法利用在衔铁偏移的情况下由非均匀的涡流分布产生的磁轭或衔铁中的电位差，以根据这些电位差确定衔铁相对于参考位置的当前位置。特别地，可以将衔铁在磁轭上的静止位置用作参考位置，在该位置中磁路是闭合的。在此，根据电磁铁的结构和测量点的布置可以确定沿直至三个轴线的衔铁位置。

在所提出的方法和相关的装置中，使用在电磁铁的运行中在磁轭或衔铁中出现的涡流，以便由此确定衔铁的位置，特别是衔铁的地点和/或定向。如果向磁铁系统施加时变电流，则这会引起时变的通量。这导致感应电压uind：

由此在磁轭的能导电材料中形成涡流iwirb，涡流又导致感应磁场hind：

在此，在涡流均匀分布的情况下，在整个能导电材料中存在相同的电位。如果涡流的分布是不均匀的，则会形成电位差。这种电位差可以作为磁轭或衔铁上的电压差被测量。为此，在所提出的方法和相关的装置中，将电引出头安置在磁铁系统的有磁势且能导电的材料上，即安置在电磁铁的磁轭或衔铁上。通过确定坐标系并且分析测得的电压差可以推断出衔铁相对于磁轭的相对位置。

在所提出的方法的有利的设计方案中，将一个或多个测得的电压差与先前为该电磁铁创建的校准曲线或校准表的值进行比较。所述校准曲线或校准表针对在相应测量点处测得的电压差的每个值指示衔铁相应的位置。以这种方式可以通过测量一个或多个电压差来精确地确定衔铁位置。

在另外的设计方案中，衔铁位置基于根据感应定律导出的、电压差的大小与衔铁相对于参考位置的距离的相关性来确定。该确定基于估计或模拟，并且因此并不如之前具有校准曲线或校准表的设计方案那样精确。然而，对于许多应用，确定衔铁大致的位置就足以确定例如控制元件的打开位置或关闭位置。

优选地，测量磁轭上或衔铁上的不同测量点之间的多个电压差，以便由此确定衔铁的位置。当要确定衔铁的沿多于一个的维度或轴线的位置时，这是特别有利的。优选地，测量分别在两个测量点之间的至少两个电压差，所述测量点位于彼此垂直的轴线上。在这种情况下在每个轴线上的测量点，以及在测量仅一个电压差的情况下的测量点，分别优选尽可能彼此远离以实现高的灵敏度。所选择的测量点的位置与电磁铁的类型相关，即与磁轭的几何形状和衔铁的运动可能性相关。此外，测量点还要易于接近。

对于如下电磁铁，即其中衔铁还可以沿轴线占据不触发磁轭或衔铁中的涡流的不均匀分布的位置，如果需要可以通过检测和分析线圈电流来确定这种类型的轴线位置，这点从已经提到的现有技术中已知。其他位置通过测量电压差来进行确定。

所提出的装置包括电磁铁，该电磁铁具有至少一个线圈、磁轭和可相对于磁轭移动的衔铁。在电磁铁的磁轭或衔铁上，在两个测量点之间安置有至少一个电气引出头，通过该电气引出头可以检测两个测量点之间的电压差。替换地，引出头还可以仅在测量点与参考电位之间形成。此外，该装置还具有与电气引出头连接的、用于测量电压差的测量设备，以及分析设备，该分析设备基于测得的电压差确定并输出衔铁相对于电磁铁上的参考位置的位置。

在此，该装置以一个或多个设计方案进行实施，使得由此可以实施上述方法的不同的实施方式。

所提出的方法和相关的装置可以用于如下所有技术领域，即在这些技术领域中要监视或确定电磁铁的衔铁位置。该方法和装置可以实现衔铁的沿直至三个轴线的位置识别。该装置的测量系统可以后补地安装到已经存在的电磁铁上，而不必在结构上改变这些电磁铁。为此，相应电磁铁的磁轭或者衔铁仅需要在至少一个测量点处电气接触。这例如可以通过将相应的电触点夹紧、焊接或螺旋连接到磁轭或衔铁上来实现。

附图说明

下面结合附图参照两个实施例再次更详细地解释所提出的方法和相关的装置。附图中：

图1示出了所提出的、在衔铁的静止位置的、具有旋转对称电磁铁的装置的示例；

图2示出了根据图1的的装置连同衔铁的偏移状态；

图3以横截面示出了所提出的装置的另外的示例，其中该装置具有带插入式铁芯的电磁铁；

图4以底视图示出了图3的装置；和

图5示出了所提出的装置的测量和分析设备的示例。

具体实施方式

示例性结合图1和2参照旋转对称电磁铁再次解释所提出的方法和相关联的装置。在此，图1在上面的子图中示出了电磁铁1的俯视图，其中可以看到平放的衔铁1。在该子图中还示出了位于衔铁下方的磁轭2和线圈3。在图1的下面的子图中，再次以横截面示出了该电磁铁，其中由电流流过的线圈3产生的磁场hind的方向也用环形的箭头进行表示。在图1中，衔铁1处于静止状态，其中磁路由衔铁闭合。因此，衔铁1相对于磁轭2没有移位，衔铁1位于零点或零位置。在这种状态下，认为磁轭2中的涡流均匀分布。

在该示例中，分别在磁轭2上的两个测量点处测量两个电压差uy和ux。在该示例中，各两个测量点的轴线相互垂直，如从图1可以看到，一个平行于x轴，并且一个平行于y轴。分析设备并未在该图以及随后的图2至4中示出。

在磁轭中涡流均匀分布的情况下，电压差ux和电压差uy都等于零，因为不存在电位差。如果衔铁1如图2所示，现在从零位置移位δx和/或δy，则这会导致涡流的不均匀分布，从而导致磁轭2中的电位差。电压差ux或uy现在不等于零。通过分析这些电压差的幅度，然后可以确定衔铁1相对于磁轭2在x和y方向上的精确位置。

对于这种电磁铁，只有同时存在沿x方向、y方向或者沿x方向和y方向的位移时，才能通过测量电压差来检测z方向上的移位。这种沿z方向的移位相同地影响ux和uy的幅度。

然而，如果移位仅沿z方向进行，则这不能通过电压差ux和uy检测到。对于仅有沿z方向的移位的情况，涡流的分布保持均匀。存在许多可行方案来确定衔铁仅沿z方向的移位。一种可行方案是，如从现有技术已知的，附加地通过测量分流器进行对线圈电流的分析。另一种可行方案在于磁轭圆周上的不对称的电接触，这使得能够沿z方向检测衔铁。通过磁轭的适当的电接触也构成沿z方向检测衔铁位置的可行方案。

针对两种变型方案的测量和分析，即仅基于电压差或者结合检测线圈电流，可以利用从现有技术已知的设备来执行。为此，图5示例性示出了测量和分析电路。电源4产生时变电流和/或时变电压，该电流和/或电压被馈送到电磁铁5的线圈中。差分放大器6将电压差ux、uy和uz转换成信号u'x，u'y和u'z。在此，测量电磁铁5的磁轭上的电气引出头之间的电压差ux和uy，电压差uz由通过测量分流器(rmess)的对线圈电流的测量产生。然后，信号u'x、u'y和u'z由模拟-数字转换器7处理并转发到微处理器8。微处理器8分析信号并将结果发送到用于输出所确定的衔铁位置的i/o接口9。

图3示例性示出了所提出的、具有电磁铁的装置的另外的设计方案，该电磁铁具有插入式铁芯。在图3的左侧可以看到具有线圈3的磁轭2，其中布置有插入式铁芯1。在此，检测沿z方向的衔铁位置通过在该图左侧示出的两个测量点处测量电压差uz来进行。衔铁倾斜通过测量图3右侧部分中示出的测量点之间的ux和uy来进行测量。在此，在该子图中只能分别看出两对测量点中的一对，因为第二对测量点位于垂直于图示平面的平面中。这可以在图4中看到，图4再次以底视图示出了所述装置。通过不对称地布置用于测量ux或uy的测量点，例如通过将图3右侧中的、用于测量电压差的两个测量点轴向地置于不同的高度，可以通过测量电压差来确定衔铁沿z方向的位置。

附图标记列表

1磁轭

2衔铁

3线圈

4电源

5电磁铁

6差分放大器

7模拟-数字转换器

8微处理器

9i/o接口