Aus der EP 0 637 713 AI ist bereits ein Stellungsregler für ein durch einen Antrieb betätigbares Ventil bekannt. Das Ventil ist in einer Rohrleitung eingebaut und steuert durch einen entsprechenden Hub eines mit einem Ventilsitz zusammen- wirkenden Schließkörpers den Durchtritt eines Mediums. Ein pneumatischer Antrieb ist über eine Schubstange mit dem Schließkörper verbunden. An die Schubstange greift ein Hebel an, der auf einen Potentiometer als Positionsgeber des Stel- lungsreglers einwirkt. Das Potentiometer erfasst die Ist- Position des Stellglieds. Diese wird in einer Reglereinheit des Stellungsreglers mit einer vorgebbaren Soll-Position verglichen. In Abhängigkeit der ermittelten Abweichung er- zeugt die Reglereinheit ein Stellsignal zur Steuerung des pneumatischen Antriebs. Der Sollwert wird dem Stellungsregler durch ein normiertes Signal, beispielsweise eine 4 bis 20 mA- Schnittstelle oder ein digitales Feldbustelegramm, vorgege- ben. Die Aufgabe des Stellungsreglers besteht also darin, den vorgegebenen Sollwert der Position des Stellglieds in ein pneumatisches Drucksignal umzusetzen, das dem pneumatischen Antrieb zugeführt wird und in einer entsprechenden Position der Schubstange resultiert.

Daneben sind Klappenventile bekannt, in welchen der Öffnungs- winkel einer Drehklappe mit Hilfe eines Drehpotentiometers erfasst wird. In diesem Fall erzeugt ein Stellungsregler ein Stellsignal für einen Schwenkantrieb, der die Drehklappe betätigt.

Wegen ihrer einfachen und preiswerten Technik werden zur Positionserfassung häufig Schleifpotentiometer verwendet, deren Vorteil eine relativ einfache Erzeugung eines auswert- baren elektrischen Stellungssignals bei einem geringen Strom- verbrauch ist. Beispielsweise ein mit 3 V betriebenes 10 k9 Potentiometer verbraucht maximal nur 300 pA. Die Hub- oder Drehbewegung des Stellglieds wird über entsprechende Anbauteile, beispielsweise über einen Drehhebel mit einem umschaltbaren Zahnradgetriebe, auf die Drehachse des Poten- tiometers gegeben und die vom Schleifer abgegriffene Teil- spannung auf den Analogeingang einer analogen oder digitalen Reglereinheit übertragen. Der Erfassungsbereich des Dreh- winkels für Schwenkantriebe beträgt üblicherweise maximal 120°. Für Schubantriebe beträgt der Erfassungsbereich maximal 15 mm. Die lineare Bewegung kann mittels einer Umsetzungs- mechanik ebenfalls in einem Drehwinkel von maximal 120° umge- wandelt werden.

In vielen Bereichen der Prozess-und Energietechnik hängt der störungsfreie Betrieb einer Anlage von der einwandfreien Funktion der eingesetzten Regelventile ab. Stillstände von Anlagen oder Anlageteilen, verursacht durch ausgefallene Kom- ponenten, vermindern die Produktionskapazität und die mög- liche Auslastung der Anlage erheblich. Eine Verminderung von Stillstandszeiten und eine erhöhte Anlagenzuverlässigkeit sind somit wesentliche Ziele für den wirtschaftlichen Betrieb einer Anlage.

Häufig verwendete elektromechanische Schleifpotentiometer zur Dreh-oder Linearpositionserfassung besitzen aufgrund ihres Aufbaus Nachteile in der Langzeitstabilität wegen Abnutzung und Oxidation der Kontaktbahnen sowie in der Schwingungsfes- tigkeit. Nach längerem quasi-statischem Betrieb neigen ihre Schleifer zum Kleben. Durch mechanischen Verschleiß werden die Schleifer und Widerstandsschichten mit der Zeit abgenutzt oder durch Alterung und Oxidation in ihrer Beschaffenheit verändert. Bei elektromechanischen Schleifpotentiometern wird

die Dreh-oder Linearbewegung mittels einer durchgehenden Achse übertragen. Eine geeignete Abkapselung vor Umweltein- flüssen ist daher sehr aufwendig und selbst von Alterung und Verschleiß betroffen.

Aus der EP 0 680 614 Bl ist eine Vorrichtung zum Erfassen einer Winkelposition eines Objektes bekannt. Die in dieser Patentschrift beschriebenen Sensoren nach dem giant magneto- resistiven (GMR-) Effekt bestehen aus abwechselnd hartmagne- tischen und weichmagnetischen Metallschichten. Diese sind jeweils nur wenige Atomlagen dick und werden auf einem Sili- ziumträgermaterial aufgesputtert. Diese Sensoren besitzen eine große Abhängigkeit ihres Widerstands von der Richtung eines einwirkenden Magnetfeldes. Mit einem GMR-Sensor ist somit eine Winkelpositonsänderung eines Magneten gut erfass- bar.

Elektropneumatische Stellungsregler werden häufig in Be- reichen eingesetzt, in denen die Atmosphäre zu einem explo- sionsfähigen Gasgemisch werden kann. Hier muss durch geeig- nete Maßnahmen sichergestellt sein, dass in jedem möglichen Betriebszustand von dem Stellungsregler keine Gefahr ausgeht.

Dazu muss entweder die Entstehung eines Zündfunkens durch geeignete Maßnahmen ausgeschlossen sein oder die Entzündung der Atmosphäre in der Umgebung des Stellungsreglers muss sicher verhindert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellungs- regler, insbesondere für ein durch einen Antrieb betätigbares Ventil, zu schaffen, der sich bei geringem Herstel- lungsaufwand durch eine verbesserte Unempfindlichkeit gegen Störungen und einen eigensicheren Aufbau auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Stellungsregler der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An- spruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen

sind vorteilhafte Weiterbildungen des Stellungsreglers be- schrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand ein eigensicherer Aufbau des Stellungsreglers realisiert werden kann. Hohe Investitionen für die Sicherung der Betriebsspannung, wie sie bei einem elektrisch eigensicher aufgebauten Stellungsregler ohne druckfeste Kapselung entstehen würden, entfallen aufgrund des druckfest gekapselten Gehäuses der Reglereinheit. Für den Positionsgeber ist der Einsatz eines preiswerten Kunststoff- gehäuses ausreichend. An eine elektrische Verbindungsleitung zwischen Reglereinheit und Positionsgeber werden keine höhe- ren Anforderungen bezüglich des Explosionsschutzes gestellt.

Die Reglereinheit ist vom Stellantrieb mechanisch und ther- misch entkoppelt. Mechanische Schwingungen und Stöße sowie hohe oder niedrige Temperaturen der Anlage werden somit nicht auf die Reglereinheit übertragen. Bei einem entsprechend aus- geführten Verguss des Positionsgebers ist ein Einsatz in chemikalienbelasteter Atmosphäre oder in explosiver Umgebung, wegen des erreichten doppelten Schutzes in Zone Null, mög- lich. Der aus dem Gehäuse der Reglereinheit ausgelagerte Positionsgeber kann in vorteilhafter Weise auch an kleinen Antrieben oder bei extremen Belastungen, beispielsweise auf- grund mechanischer Schwingungen, von Stößen oder aufgrund extremer Temperaturen, an dem Stellantrieb befestigt und mit geringem Aufwand mit der Reglereinheit elektrisch verbunden werden. Die Reglereinheit des Stellungsreglers kann in einiger Entfernung beispielsweise an einem Montagerohr oder einer ähnlichen Montagehilfe angebaut werden und ist mit dem Positionsgeber über eine elektrische Kabelverbindung und mit dem pneumatischen Antrieb über eine oder zwei pneumatische Leitungen verbunden.

Durch die Erfindung werden weiterhin die Nachteile herkömm- licher Potentiometer vermieden, da ein kontaktloses Poten- tiometer, das im Wesentlichen aus einem Magneten und einem

magnetoresistiven Sensor besteht, verwendet wird. Der neue Positionsgeber liefert auch im statischen Fall die genaue Ist-Position des Stellglieds. Eine ohnehin geringe Unli- nearität des Ausgangssignals ist leicht kompensierbar.

Zwischen Magnet und magnetoresistivem Sensor kann in ein- facher Weise eine Trennwand zur Kapselung und damit zum Schutz vor Umwelteinflüssen angebracht werden. Der Posi- tionsgeber ist somit äußerst unempfindlich gegen Verschmut- zung und rauhe Umgebung. Der Magnet kann außerhalb des Sen- sorgehäuses an einem Schub-oder Schwenkantrieb leicht so befestigt werden, dass seine magnetischen Feldlinien durch die Gehäusewand auf den magnetoresistiven Sensor einwirken.

In das Sensorgehäuse ist eine Auswerteschaltung integrierbar, die anhand der Widerstandsänderung des magnetoresistiven Sensors eine dem Drehwinkel bzw. dem linearen Weg des Mag- neten proportionale Spannung erzeugt und somit einer Regler- einheit ein der Ist-Position entsprechendes, gegenüber Stör- einflüssen unempfindliches Signal liefert.

In einfacher Weise ist ein minimaler Abstand zwischen Magnet und Sensor einzuhalten, um insbesondere bei einem GMR-Sensor eine Beschädigung der hartmagnetischen Schichten zu vermei- den, da bei diesem Sensortyp die Stärke des Magnetfelds 15 kA/m nicht übersteigen darf. Durch das kontaktlose Prinzip des neuen Positionsgebers entfällt das Problem kratzender oder klebender Schleifpotentiometer. Bei Anwendungen, in denen das Potentiometer einem permanenten Rütteln ausgesetzt ist, bietet das kontaktlose Prinzip ebenso Vorteile wie im quasi-statischen Fall, wenn die Potentiometerstellung über lange Zeit nicht verändert wird und sich der Schleifer eines Schleifpotentiometers durch Regelunruhe in der Strecke in die Widerstandsschicht eingraben und evtl. dort hängen bleiben würde. Bildet der Magnet das mit dem Stellglied gekoppelte Bewegungsteil des Positionsgebers, so koppelt er ohne me- chanische Durchführung die Stellbewegung durch sein Magnet- feld in den magnetoresistiven Sensor ein. Durch entsprechende Anbauteile kann in einfacher Weise eine exakte Dreh-oder

Linearbewegungsführung des Bewegungsteils sichergestellt werden.

Wird der Magnet als Permanentmagnet ausgebildet, so ermög- licht dies einen besonders einfachen Aufbau, da der Magnet keine Stromzuführung benötigt und den Strombedarf des Posi- tionsgebers nicht erhöht.

Eine vorteilhaft deutliche Widerstandserhöhung des magneto- resistiven Sensors ergibt sich, wenn ein sogenannter aniso- trop magnetoresistiver Sensor verwendet wird. Bei Drehungen der Magnetisierung der Schicht bezüglich der Stromrichtung eines in der Schicht des Sensors fließenden Messtroms tritt bei diesem Sensortyp eine Widerstandsänderung auf, die einige Prozent des normalen isotropen Widerstandes betragen kann.

Damit wird ein ausreichend hoher Signalstörabstand des Mess- signals erreicht.

Wird ein sogenannter giant magnetoresistiver (GMR-) Sensor eingesetzt, so hat dies den Vorteil, dass die Widerstandsän- derung in einem weiten Bereich feldstärkeunabhängig ist und lediglich empfindlich auf die Richtung des Magnetfeldes reagiert. Die Richtungsabhängigkeit des Widerstands ähnelt einer Cosinusfunktion und ist somit in einem großen Bereich nahezu linear.

In vorteilhafter Weise ist derselbe Sensoraufbau sowohl für einen Anbau an Drehantrieben als auch für einen Anbau an Schubantrieben geeignet, ohne dass konstruktive Änderungen vorgenommen werden müssen. Dazu wird der GMR-Sensor im Rand- bereich eines Gehäuses derart angeordnet, dass derselbe Sensor zur Detektion einer relativen Drehbewegung zumindest näherungsweise auf der Drehachse eines für diesen Fall vorge- sehenen Magneten und zur Detektion einer relativen Verschie- bung gemeinsam mit einem für diesen Fall vorgesehenen Magne- ten in einer im Wesentlichen senkrecht zur oben erwähnten Drehachse verlaufenden Ebene positionierbar ist. Dabei be-

trägt der Abstand zwischen dem Sensor und der zum Magneten weisenden Gehäusewand vorzugsweise etwa 5 mm. Damit ist sichergestellt, dass der erforderliche Mindestabstand zwischen Magnet und Sensor eingehalten wird. Durch die Ver- wendbarkeit bei Dreh-und Schubantrieben werden Logistik-und Lagerhaltungskosten reduziert, da nur ein GMR-Sensortyp be- vorratet werden muss.

Eine verbesserte Messgenauigkeit bei Temperaturschwankungen wird erreicht, wenn im Gehäuse des GMR-Sensors eine Tempera- turkompensationsschaltung angeordnet ist. Für eine besonders gute Temperaturkompensation kann der Brückenwiderstand des GMR-Sensors gleichzeitig als Messwiderstand der Temperatur- kompensationsschaltung genutzt werden. Dadurch entfallen Probleme einer thermischen Kopplung zwischen Messwiderstand und GMR-Sensor völlig.

In vorteilhafter Weise wird der GMR-Sensor auf der einen Seite und die Temperaturkompensationsschaltung auf der ande- ren Seite derselben Leiterplatte angeordnet. Die Bauelemente der Temperaturkompensationsschaltung, die üblicherweise größere Gehäuse besitzen als das Bauelementegehäuse des GMR- Sensors, müssen somit nicht zwischen GMR-Sensor und der zum Magneten weisenden Außenseite des Positionsgebergehäuses an- geordnet werden und beeinflussen deren Abstand nicht. Damit ist ein geringerer Abstand zwischen der Oberkante des Bau- elementegehäuses des GMR-Sensors und der Gehäuseaußenseite möglich.

Bei geringem Aufwand kann eine exakte Positionierung von Magnet zum GMR-Sensor erreicht werden, wenn am Gehäuse des GMR-Sensors eine Zentrierhilfe für die Einstellung der rela- tiven Lage des Magneten zum Sensor bei der Montage vorgesehen ist. Diese Positionierhilfe kann als ein auf den Magneten aufsetzbares und nach der Montage wieder abnehmbares Formteil ausgebildet werden, das formschlüssig in einer Ausnehmung am Gehäuse des GMR-Sensors bei der Montage eingesetzt wird. Nach

der Befestigung von Magnet und GMR-Sensor wird das Formteil wieder entnommen.

Eine mechanisch formschlüssige Gestaltung von Bewegungsteil und Sensorgehäuse gewährleistet die räumlich lagerichtige Zuordnung von Magnet und Sensor. Die Verbindungen der beiden Teile zu einem kompletten Positionsgeber kann dabei kraft- schlüssig erfolgen. Der Positionsgeber kann alternativ auch als mechanisch einteiliger, kompletter Positionsgeberblock aufgebaut sein, der Bewegungsteil mit Magnet, GMR-Sensor und Auswerteelektronik enthält und einen definierten Abstand zwischen dem Magneten und dem GMR-Sensor gewährleistet. Die prinzipiell sowohl mechanisch, wie auch galvanisch vom Bewe- gungsteil völlig trennbare, aktive Auswertungselektronik ermöglicht eine sowohl gegen elektrische wie auch magnetische Störeinflüsse einfach abschirmbare, störsichere und robuste Positionsgeberelektronik in Kleinbauform. Der Magnet selbst kann dabei ohne eine mechanische Durchführung durch eine Trennwand zum Gehäuse des GMR-Sensors mit diesem in einer gemeinsamen Abschirmkammer liegen, die vor elektrostatischen und elektromagnetischen Störungen schützt. Zum Einsatz in extrem gestörten Bereichen kann eine entsprechende äußere Abschirmung, die auch den Magneten einschließt, als ein bei Bedarf ergänzbares Bauteil ausgeführt werden.

Weitere Vorteile des neuen Stellungsreglers sind einfach integrierbare Schutzschaltungen, weite Versorgungsspannungs- toleranzen, eine Minimierung von externen Störeinflüssen durch integrierte Schirme und EMI-Filter, eine Minimierung der Temperatureinflüsse bei kleinem Speisestrom, eine Mini- mierung und stabile Reproduzierbarkeit der Hysterese als Funktion des Drehwinkels zwischen Magnet und GMR-Sensor sowie der Feldstärke.

Die kleinen Schwankungen der Hysterese und der geringen Un- linearität, die sich aus der Exemplarstreuung der GMR-Senso- ren ergeben, sind bei der Anwendung als Positionsgeber in

einem Stellungsregler irrelevant. Wenn die Ist-Position als Information durch den Stellungsregler an weitere Komponenten einer Anlage ausgegeben werden soll, kann das Ausgangssignal entsprechend der bekannten Linearitäts-und Hysteresekenn- linie des einzelnen GMR-Sensors einfach korrigiert und aktiv gefiltert werden. Dazu können bei Bedarf in einem Mikrocont- roller des Stellungsreglers die exemplarspezifischen Korrek- turdaten des GMR-Sensors gespeichert werden. Für eine verein- fachte Korrektur der Linearitäts-und Hysteresefehler genügt die exemplarspezifische Ermittlung und Speicherung von fünf charakteristischen Stützwerten, die unter Standardbedingungen aufgenommen werden. Die Stützwerte können beispielsweise an den Stellen der maximalen Steigungsänderung der Kennlinien liegen. Für eine exaktere Korrektur können auch die gesamten Kennlinien mit der gewünschten Auflösung in einem seriell auslesbaren, mit den GMR-Sensor ausgelieferten und diesem durch eine Identifikationskennung zugeordneten Speichermedium abgelegt werden. Der Inhalt des Speichermediums kann beispielsweise bei der Installation des GMR-Sensors in den Mikrocontroller geladen werden.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen : Figur 1 ein Regelventil, Figur 2 ein Blockschaltbild eines Positionsgebers, Figur 3 eine Schaltung zur Temperaturkompensation, Figur 4 eine Schaltung zur Verstärker-und Offsetein- stellung, Figur 5 eine Flachbaugruppe mit den Schaltungen nach den Figuren 3 und 4, Figur 6 einen Metallschirm für die Flachbaugruppe nach Figur 5, Figur 7 eine Draufsicht auf einen geöffneten Metallschirm, Figur 8 eine Seitenansicht eines geöffneten Metallschirms,

Figur 9 ein Gehäuse für einen GMR-Sensor, Figur 10 einen Verschlussdeckel für das Gehäuse nach Figur 9, Figur 11 eine Ansicht eines Winkelpositionsgebers von unten, Figur 12 eine Seitenansicht des Winkelpositionsgebers nach Figur 11, Figur 13 eine Ansicht eines Linearpositionsgebers von unten und Figur 14 eine Seitenansicht des Linearpositionsgebers nach Figur 13.

In eine Rohrleitung 1 einer nicht weiter dargestellten pro- zesstechnischen Anlage ist gemäß Figur 1 ein Ventil 2 einge- baut, das durch einen entsprechenden Hub eines mit einem Ventilsitz 3 zusammenwirkenden Schließkörpers 4 den Durch- fluss eines Mediums 5 steuert. Der Hub wird durch einen pneumatischen Antrieb 6 erzeugt und mittels einer Ventil- stange 7 auf den Schließkörper 4 übertragen. Der Antrieb 6 ist über ein Joch 8 mit dem Gehäuse des Ventils 2 verbunden.

An dem Joch 8 ist ein Positionsgeber 9 angebracht, der ein- gangsseitig über einen an der Ventilstange 7 geführten Magneten 10 den Hub erfasst und ein dem Hub entsprechendes analoges Ausgangssignal 11 erzeugt. Im pneumatischen Antrieb 6 befindet sich eine im Wesentlichen horizontal verlaufende Membran, welche eine obere von einer unteren Kammer trennt.

Über eine Rohrleitung 12 ist die untere Kammer mit einer Reglereinheit 13 verbunden, die in einem vom Gehäuse des Positionsgebers 9 getrennten, druckfest gekapselten Gehäuse untergebracht ist. In der oberen Kammer ist eine Feder angeordnet, welche gegen den Druck der unteren Kammer wirkt und im drucklosen Fall das Ventil 2 verschließt. Durch Ventile in der Reglereinheit 13 gesteuert kann über eine Leitung 14 zugeführte Zuluft mit einem Druck P über die Leitung 12 in die untere Kammer eingeleitet oder Abluft über eine Leitung 15 in die Umgebung gelassen werden. Die Regler- einheit 13 vergleicht die mit dem Signal 11 erhaltene Ist- Position der Ventilstange 7, die regelungstechnisch als

Stellglied bezeichnet werden kann, mit einem über eine Daten- schnittstelle 16 von einem Feldbus 17 zugeführten Sollwert und regelt durch entsprechende Einstellung der Luftströmung in der Rohrleitung 12 eine evtl. vorhandene Regeldifferenz aus. Während der Positionsgeber 9 am Joch 8 befestigt und somit einer evtl. hohen Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, kann die Reglereinheit 13 entfernt hiervon in weniger rauher Umgebung beispielsweise an einem in der Figur 1 nicht darge- stellten Montagerohr befestigt werden. Dadurch wird der Ein- satzbereich des Stellungsreglers, der üblicherweise empfind- liche Ventile zur pneumatischen Steuerung enthält, erweitert.

Die Elektronik des Positionsgebers 9 ist elektrisch und mechanisch so ausgelegt, dass die elektrische Energie in al- len Betriebszuständen nicht ausreicht, einen Zündfunken ent- stehen zu lassen, und dass die maximal durch die Verlust- leistung entstehende Oberflächentemperatur ein kritisches Maß nicht überschreitet. Die über eine Schnittstelle 18 der Reg- lereinheit 13 dem Positionsgeber 9 mit denselben Leitungen, über welche auch das Ausgangssignal 11 übertragen wird, zuge- führte elektrische Energie genügt ebenfalls den Anforderungen der Eigensicherheit. Die in der Schnittstelle integrierte Stromversorgung ist dazu so ausgelegt, dass auch im Fehler- fall die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom immer unter- halb einer zulässigen Grenze bleiben. Die Elektronik der Reg- lereinheit 13 ist durch eine druckfeste Kapsel so gesichert, dass im Fehlerfall kein Zündfunke durch eine Gehäusespalte in die umgebende Atmosphäre dringen kann, die druckfeste Kapsel auch bei einer in ihrem Inneren stattfindenden Explosion nicht beschädigt wird und die durch Verlustleistung entste- hender'Oberflächentemperatur der druckfesten Kapsel die sie umgebende Atmosphäre nicht entzünden kann. Dadurch werden an eine externe Stromversorgung der Reglereinheit 13 keine erhöhten Anforderungen gestellt. Hohe Investitionen für die Sicherung der Betriebsspannung, wie sie bei eigensicheren elektrischen Geräten erforderlich wären, können aufgrund der druckfesten Kapselung entfallen.

Ein Prinzipschaltbild einer in den Positionsgeber 9 (Figur 1) integrierten Auswerteschaltung mit GMR-Sensor ist in Figur 2 dargestellt. Prinzipiell besteht die Auswerteschaltung für die von der Richtung des Magnetfelds abhängige Widerstands- änderung des GMR-Sensors aus einer Schaltung 20 zur Versor- gung der Messbrücke und zur Temperaturkompensation, welche unter anderem die Messbrücke selbst enthält, sowie aus einer Schaltung 21 zur Signalkonditionierung mit Offsetbildung und Verstärkung eines Brückenausgangssignals dU, das von der Schaltung 20 geliefert wird. Die Schaltung 21 erzeugt ein Ausgangssignal 22, beispielsweise mit einem Wertebereich von 0,1 bis 2,5 V, welches die Ist-Position des Stellglieds dar- stellt. Das Ausgangssignal 22 entspricht dem Signal 11 in Fi- gur 1. In Figur 2 nicht dargestellt sind weitere Schaltungs- teile, z. B. EMI-Filter und redundante elektronische Strom- und Spannungsbegrenzungen, die in den Anschlusszweigen der Schaltung liegen und der Störsicherheit dienen sowie bezüg- lich des Explosionsschutzes unzulässige Betriebszustände vermeiden. Die gesamte Auswerteschaltung zeichnet sich durch einen besonders geringen Strombedarf von weniger als 300 pA aus.

Figur 3 ist eine Detaildarstellung der Schaltung 20 (Figur 2), die zur Temperaturkompensation und zur Versorgung eines GMR-Sensors 30 dient. Der GMR-Effekt ist temperaturab- hängig. Die Brückenausgangsspannung dU kann durch die folgen- de Formel angenähert werden : mit a-der zwischen der Richtung des magnetischen Feldes und dem GMR-Sensor eingeschlossene Winkel,

T-Temperatur des GMR-Sensors 30, To-20 °C, Ro-Widerstand bei 20 °C, TkAR/Roiin und TkAR/Ro-Q-Kompensationsparameter und Uoff-eine Offsetspannung.

Um einem Abfallen der Brückenausgangsspannung dU des GMR- Sensors 30 mit der Temperatur entgegenzuwirken, wird eine Versorgungsspannung Ub der Brücke entsprechend erhöht. Diese Funktion wird mit der in Figur 3 dargestellten Schaltung realisiert. Ohne einen Widerstand Rkomp würde die Schaltung eine Konstantstromquelle für einen Strom Ib darstellen, des- sen Wert durch einen Widerstand R1 und die Spannung an einem Spannungsteiler eingestellt wird, der mit Widerständen R4 und R5 sowie R3 gebildet ist. Versorgt wird der Spannungsteiler mit einer Spannung Vref= 2, 5 V. Da der Widerstand der GMR- Sensorbrücke Rsen mit der Temperatur steigt, die mit der Richtung des Magnetfeldes sich ändernde Spannung dU am Brückenausgang aber um etwa das zweifache fällt, reicht die Spannungserhöhung durch die Konstantstromquelle nicht aus, um die Amplitude der Brückenausgangsspannung dU unabhängig von der Temperatur konstant zu halten. Deshalb wird die Span- nungserhöhung durch eine positive Rückkopplung mit dem Wider- stand Rkomp derart eingestellt, dass durch diese der Rückgang des Sensoreffektes an der Sensorbrücke ausgeglichen wird. Der Brückenwiderstand des GMR-Sensors 30 selbst dient dabei als Temperatursensor. Für eine optimale Temperaturkompensation wird Rkomp festgelegt zu :

Diese Schaltung zeichnet sich bei geeigneter Wahl der Werte der Widerstände R1, R3, R4 und R5 durch einen besonders nied- rigen Stromverbrauch bei guter Genauigkeit der Temperaturkom- pensation aus.

Das Ausgangssignal dU des GMR-Sensors 30 (Figur 3) wird mit der in Figur 4 gezeigten Schaltung bezüglich seiner Verstär- kung und seiner Offseteinstellung angepasst. Ein Operations- verstärker 40, der mit einer Versorgungsspannung Ucc = 3 V betrieben wird, dient gemeinsam mit einem Spannungsteiler mit Widerständen Roff und R9, an welchem eine Referenzspannung Uref = 2,5 V angelegt ist, zur Offseteinstellung. Die am Ausgang des Operationsverstärkers 40 erhaltene Ausgangs- spannung ist auf einen Differenzverstärker 41 geführt, der zur Einstellung der Verstärkung dient. Dieser Differenzver- stärker 41 wird ebenfalls mit einer Versorgungsspannung Ucc = 3 V betrieben. Auf diese Weise wird das differentiell vor- liegende Signal dU von etwa 3 mV auf 1,2 V verstärkt und auf ein mittleres Potential von 1,3 V angehoben. Ein Ausgangs- signal 42, das dem Signal 11 in Figur 1 entspricht, hat einen Wertebereich von 0,1 bis 2,5 V. Ein Verstärkerwiderstand Rgain wird derart dimensioniert, dass der Wertebereich des Aus- gangssignals dU des GMR-Sensors 30 (Figur 3) auf den Werte- bereich des Ausgangssignals 42 abgebildet wird. Auch diese Schaltung zeichnet sich durch einen besonders geringen Strom- verbrauch aus. Dies ist besonders wichtig bei Verwendung des Positionsgebers in Kombination mit einem Feldbus, über welchen die zum Betrieb der Schaltungsteile erforderliche Betriebsenergie gemeinsam mit den Informationssignalen über- tragen wird. Auch bei Verwendung einer 4 bis 20 mA-Schnitt-

stelle für den Stellungsregler ist ein geringer Stromver- brauch der Schaltungsteile von besonderer Bedeutung, da der Stellungsregler lediglich mit einem Betriebsstrom von etwa 4 mA auskommen muss.

Figur 5 zeigt eine Möglichkeit zur räumlichen Anordnung eines GMR-Sensors 50 und einer Auswerteschaltung auf einer Leiter- platte 52. Der GMR-Sensor 50 ist auf der abgewandten Unter- seite der hier zur besseren Verdeutlichung transparent darge- stellten Leiterplatte 52 angebracht, während die Bauelemente 51 der Auswerteschaltung auf der Oberseite bestückt sind.

Dadurch wird erreicht, dass die höheren Bauelemente 51 der Auswerteschaltung nicht bei der Festlegung des Abstandes zwischen der Oberkante des GMR-Sensors 50 und der Gehäuse- außenseite berücksichtigt werden müssen. An der Vorderkante der Leiterplatte 52 sind vier Lötfahnen 53 bestückt, in welchen Kabelenden 54 eines Kabels 55 eingelötet werden. Zwei Adern des Kabels dienen zur Ausgabe des Ausgangssignals (11 in Figur 1), die zwei weiteren Adern zur Versorgung der elek- tronischen Schaltungsteile des Positionsgebers.

Alternativ zu den beschriebenen Ausführungsbeispiel mit einem GMR-Sensor 50 kann der Sensor auch als sogenannter anisotrop magnetoresistiver Sensor ausgebildet sein. Das Schaltungs- prinzip der Auswerteschaltung bleibt davon unberührt.

Die so bestückte Flachbaugruppe 56 wird in einen Metallschirm 60 eingesetzt, der in Figur 6 in gefalteten und in den Figu- ren 7 und 8 in geöffnetem Zustand dargestellt ist.

In den Figuren sind jeweils gleiche Teile mit gleichen Be- zugszeichen versehen. Zur lagerichtigen Aufnahme der Flach- baugruppe 56 sind drei Lötstifte 61,62 und 63 vorgesehen, welche in dazu korrespondierende Bohrungen der Leiterplatte 52 hineinragen und dort zur Montage eingelötet werden. Nach Einlöten der Leiterplatte 52 wird der Metallschirm zusam- mengefaltet und das Kabel 55 in Klemmlaschen 64,65 und 66

eingelegt und dort durch Klemmkraft gehalten. In dem Bereich, in welchem der GMR-Sensor 50 zu liegen kommt, ist im Metall- schirm 60 eine im Wesentlichen halbkreisförmigem Ausnehmung 67 angebracht, damit ein magnetisches Feld den Metallschirm 60 durchdringen und den GMR-Sensor 50 erreichen kann. Eine Ausnehmung 68 dient zur exakten Positionierung des Metall- schirms 60 in einem Gehäuse 90, das in Figur 9 dargestellt ist. Die Ausnehmung 68 wird beim Einfügen in das Gehäuse 90 auf eine Rippe aufgeschoben, welche in Figur 9 durch die Gehäuseoberseite verdeckt wird. Bei erfolgter Zentrierung kommt diese Rippe in einer Nut 69 der Ausnehmung 68 zu liegen. Das Gehäuse 90 des GMR-Sensors 50 besteht bei- spielsweise aus Kunststoff oder einem nicht ferromagnetischen Material, welches die Flachbaugruppe 56 vor Umwelteinflüssen schützt. Gleichzeitig bietet das Gehäuse 90 Be- festigungsmöglichkeiten für den Positionsgeber am Einsatzort.

Zur einfachen Befestigung an genormten Anbausätzen sind zwei Aufnahmeöffnungen 91 und 92 für Schrauben sowie ein Posi- tionierstift 93 am Gehäuse 90 angebracht. Der Positionier- stift 93 ist in Figur 9 verdeckt und lediglich in den Figuren 11 und 13, welche die Ansicht des Gehäuses von unten wieder- geben, sichtbar. Mit diesen Befestigungsmöglichkeiten ist in jedem Fall eine stabile Zuordnung des Positionsgebers zum Stellglied realisierbar.

Nach Einschieben des mit der Flachbaugruppe 56 bestückten und gefalteten Metallschirms 60 in das Gehäuse 90 wird dieses durch einen in Figur 10 dargestellten Deckel 100 ver- schlossen, der zu den Gehäuseinnenseiten korrespondierende Führungslaschen 101 bis 104 aufweist.

Der Metallschirm 60 ist zwischen der Flachbaugruppe 56 und dem Gehäuse 90 aus Gründen der elektromagnetischen Verträg- lichkeit angeordnet, d. h. um die Beeinflussung der Auswerte- schaltung durch elektromagnetische Störungen zu vermeiden und um die Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen zu verhin- dern. Alternativ zu den gezeigten Ausführungsbeispiel kann

eine elektromagnetische Abschirmung durch eine Metallisierung eines Gehäuses aus Kunststoff oder durch einen Einsatz von metallfasergefülltem Kunststoff erreicht werden. Der dabei verwendete Werkstoff darf jedoch, um die Funktion des GMR- Sensors nicht zu beeinträchtigen, im Bereich des GMR-Sensors keine ferromagnetischen Eigenschaften besitzen.

Die Flachbaugruppe 56 kann zum verbesserten Schutz und zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen im Gehäuse 90 mit einem isolierenden Füllstoff vergossen werden.

Das vieradrige Kabel 55 zur Verbindung des Positionsgebers mit der Reglereinheit kann je nach Einsatzfall einfach oder doppelt geschirmt ausgeführt werden. Eine elektrische Verbin- dung der Kabelschirme mit der Flachbaugruppe 56 und/oder dem Metallschirm 60 ist in einfacher Weise möglich.

In den Figuren 11 bis 14 wird die räumliche Anordnung eines Magneten zum Gehäuse 90 deutlich. Zur Erfassung von Dreh- winkeln befindet sich ein Magnet 94 etwa mittig unter einer im Wesentlichen halbkreisförmigen Ausnehmung 95 im Gehäuse 90. Die Ausnehmung 95 stellt eine Zentrierhilfe für die Einstellung der relativen Lage des Magneten 94 zum GMR-Sensor 50 dar, der sich im Gehäuse 90 befindet. Dazu kann in die Ausnehmung 95 ein formschlüssiges Positionierwerkzeug einge- legt werden, welches den Magneten 94 aufnimmt. Nach fester Montage des Magneten an einem in den Figuren 11 und 12 nicht weiter dargestellten Bewegungsteil ist der Magnet 94 zent- riert und das Positionierwerkzeug kann entfernt werden. Die Drehachse des Magneten 94 verläuft in Figur 11 senkrecht zur Zeichnungsebene. Die Drehbarkeit des Magneten 94 ist durch einen Pfeil 96 angedeutet. In Figur 12 verläuft die Drehachse durch die Mitte des Magneten 94 in horizontaler Richtung. Die Figuren 13 und 14 zeigen die Anordnung eines Magneten 97 zur Erfassung von Linearbewegungen. Dies ist durch einen Ver- schiebepfeil 98 angedeutet. Der Magnet 97 befindet sich hier gemeinsam mit dem GMR-Sensor 50, der innerhalb des Gehäuses

90 angeordnet ist, im Wesentlichen in einer senkrecht zu der oben beschriebenen Drehachse verlaufenden Ebene, die parallel zur Zeichnungsebene der Figur 13 liegt. Wiederum kann durch ein Positionierwerkzeug, das formschlüssig zur Ausnehmung 95 sowie zum Magneten 97 ausgebildet ist, die exakte Posi- tionierung des Magneten erleichtert werden. Durch die gewähl- te Anordnung des GMR-Sensors 50 in seinem Gehäuse 90 wird erreicht, dass derselbe GMR-Sensor sowohl zur Erfassung von Drehwinkeln als auch von Linearbewegungen ohne konstruktive Änderungen seines Gehäuses geeignet ist. Die Magneten 94 und 97 sind in einem in den Figuren nicht dargestellten Kunst- stoffteil gefasst und zum Schutz vor Umwelteinflüssen ver- gossen. Die Führung der Magneten 94 und 97 in einem in den Zeichnungen nicht dargestellten Bewegungsteil werden konstruktiv an die jeweiligen Einbaubedingungen angepasst, so dass die Dreh-oder Linearbewegung eines Stellglieds in eine dazu korrespondierende Dreh-oder Linearbewegung der Magneten 94 bzw. 97 umgesetzt wird.