DE1163562B - Elektromagnetischer Wandler zur Messung von Verschiebungen. - Google Patents
Elektromagnetischer Wandler zur Messung von Verschiebungen.Info
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: G Ol d
Deutsche KL: 42 d-1/12
Nummer: 1163 562
Aktenzeichen: B 42794IX b / 42 d
Anmeldetag: 12. Dezember 1956
Auslegetag: 20. Februar 1964
Es sind zahlreiche Vorrichtungen zur elektrischen Messung mechanischer Verschiebungen bekannt.
Diese arbeiten teils kapazitiv, teils induktiv.
Während die meisten bekannten Einrichtungen nur die Messung kleiner Verschiebungen erlauben, werden
bei einer bekannten kapazitiven Meßvorrichtung die einander zugekehrten Flächen der Kondensatorelektrode
von den Oberflächen zweier Schraubenwindungen gleicher Ganghöhe gebildet, von denen die
eine als Schraube in der anderen als Mutter derart liegt, daß sie einander nicht berühren, und die eine
gegenüber der anderen sowohl in axialer Richtung bewegt als auch gedreht werden kann. Bei einer axialen
Verschiebung ergibt sich also eine periodische Schwankung der Kapazität, und Zwischenstellen lassen
sich durch eine entsprechende Drehung bestimmen.
Ein kapazitiver Wandler hat jedoch wesentliche Nachteile gegenüber den induktiven Wandlern. Insbesondere
hat er eine sehr hohe Impedanz, wodurch der Störabstand beeinträchtigt und die Störanfälligkeit
erhöht wird. Auch verläuft die periodische Kapazitätsänderung nicht sinusförmig, wodurch die
Messung erschwert wird. Ferner ist die Herstellung mit der erforderlichen Präzision nicht einfach.
Weiter ist ein elektromagnetischer Wandler zur Messung von Verschiebungen bekannt, der aus einer
Reihe wechselstromführender Leiter und einer Reihe von Abnahmeleitern besteht. Diese sind jeweils in
Serie geschaltet und derart gegeneinander verschiebbar, daß die in den Abnahmeleitern induzierte Stromstärke
von deren Stellung hinsichtlich der stromführenden Leiter abhängt und ein Maximum erreicht,
wenn die Abnahmeleiter den stromführenden Leitern unmittelbar gegenüberstehen. Die aktiven Teile der
stromführenden Leiter und der Abnahmeleiter verlaufen aber bei dieser bekannten Anordnung senkrecht
zur Verschiebungsrichtung, wodurch eine exakte Bestimmung der Zwischenstellungen erschwert wird.
Demgegenüber ist der erfindungsgemäße elektromagnetische Wandler der zuletzt angegebenen Art dadurch
gekennzeichnet, daß die stromführenden Leiter und die Abnahmeleiter als schraubenförmige Primär-
und Sekundärwicklungen gleicher Steigung ausgebildet sind, die auf zwei koaxial angeordneten zylindrischen
Gliedern angeordnet sind.
Diese Anordnung ist sehr robust, einfach herzustellen und besitzt eine niedrige Impedanz und einen
hohen Störabstand. Die Ausgangsspannung bei einer gegenseitigen Verschiebung oder Drehung der beiden
Wicklungen verläuft zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stellungen mit maximaler Kopplung streng sinus-
Elektromagnetischer Wandler zur Messung
von Verschiebungen
von Verschiebungen
Anmelder:
Canadian Westinghouse Company Limited,
Hamilton, Ontario (Kanada)
Vertreter:
Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 46
Als Erfinder benannt:
Frans Brouwer, Ancaster, Ontario (Kanada)
Beanspruchte Priorität:
Kanada vom 15. Dezember 1955 (Nr. 698 234)
förmig, so daß eine lineare Beziehung zwischen der Amplitude des Abnahmesignals und der gegenseitigen
Längsverschiebung der beiden Wicklungen besteht, die z. B. zur automatischen Steuerung einer Werkzeugmaschine
verwendet werden kann.
Vorzugsweise besteht mindestens eine der Wicklungen aus einer zweidrähtig als doppelgängige
Schraube gewickelte Leiterschleife, so daß die Stromrichtung der Windungen längs der Achse abwechselt.
Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sie durch
äußere Felder nicht beeinflußt wird. Der letztere Vorteil macht sich noch stärker bemerkbar, wenn die eine
Leiterschleife bifilar gewickelt ist, d. h. aus einzelnen Windungen zweier eng benachbarter, gegensinnig vom
Strom durchflossener Drähte besteht.
Vorzugsweise übertrifft die Länge des einen zylindrischen Gliedes diejenige des anderen zylindrischen
Gliedes um ein Mehrfaches. Die beiden zylindrischen Glieder können relativ zueinander um ihre Achse
drehbar sein, so daß das Ausmaß der Rückdrehung bis zum Auftreten eines Extremwertes an der Abnahmewicklung
als Maß für die entsprechende Längsverschiebung verwendbar ist. Bekanntlich ist eine
solche Winkelverstellung wesentlich genauer meßbar als eine entsprechende Längsverschiebung.
Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Wandlers in einer elektromechani-
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sehen Stellvorrichtung kann so vorgegangen werden, daß die zylindrischen Glieder so lange gegeneinander
verstellt werden, bis das von der Abnahmewicklung abgegebene Signal einen Extremwert
erreicht hat. Zur Grobeinstellung kann die Anzahl der auftretenden Extremwerte während
der Längsverschiebung von einem Bezugspunkt aus dienen. Wegen der erwähnten Linearität kann zur
Feineinstellung die dann noch vorhandene Spannung an der Abnahmewicklung ohne weiteres herangezogen
werden.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Hierin
sind
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen
Wandlers zur Messung von Verschiebungen zur Erläuterung des Erfindungsprinzips,
F i g. 2 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wandlers in seiner einfachsten Form,
_ F i g. 3 das Blockschaltbild einer elektromechanischen Stellvorrichtung unter Verwendung des erfindungsgemäßen
Wandlers,
F i g. 4 das Schaltbild einer Einzelheit der Anordnung nach F i g. 3,
F i g. 5 die schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung und
F i g. 6 die Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform, bei der die eine Leiterschleife bifilar
gewickelt ist.
Fig. 1 zeigt im Schnitt eine Reihe von Leitern, die auf einem isolierten Träger 2 angebracht sind. Durch
die übliche Markierung ist angedeutet, daß es sich um stromführende Leiter mit abwechselnden Stromflußrichtungen
handelt. Dem Träger 2 steht ein Träger 3 gegenüber, an dem eine weitere Reihe von Leitern
4 angebracht ist, die nachstehend als Abnahmeleiter bezeichnet werden. Bei der in F i g. 1 dargestellten
Stellung der Abnahmeleiter 4 besteht keine gegenseitige Kopplung zwischen diesen und den stromführenden
Leitern. Wenn jedoch die Reihe der Abnahmeleiter seitwärts bewegt wird, so tritt eine gegenseitige
Kopplung zwischen ihnen und den stromführenden-Leitern auf. Bei Reihenschaltung der stromführenden
Leiter und der Abnahmeleiter und bei Speisung der stromführenden Leiter mit Wechselstrom wird in den
Abnahmeleitern 4 ein Strom induziert, dessen Stärke von der relativen Stellung der Abnahmeleiter zu den
stromführenden Leitern abhängt. Der induzierte Strom erreicht sein Maximum, sobald die Abnahmeleiter
den stromführenden Leitern gegenüberstehen. In der dargestellten Lage hat dagegen die induzierte
Stromstärke ihr Minimum bzw. geht durch Null. Anschließend tritt dann ein zweites Maximum von entgegengesetzter
Phase auf, wenn die Leiter sich wiederum gegenüberstehen. Bei einer Weiterbewegung
des Trägers 3 ergibt sich eine Reihe von Null- und Maximalwerten, und die Grobstellung kann durch die
Zahl der Maxima, welche der Abnahmestrom durchlaufen hat, bestimmt werden. Die Feinmessung kann
mittels des Stromstärkeverlaufes in der Abnahmewicklung erfolgen.
Die Meßgenauigkeit eines derartigen bekannten Wandlers hängt von der Genauigkeit der Anordnung
der verschiedenen Leiter ab. Auch bei Anwendung der Technik der gedruckten Schaltungen ist eine hohe
Genauigkeit erforderlich. Die Genauigkeit der Feineinstellung hängt ferner von der Linearität des Stromverlaufs
in der Abnahmewicklung ab. Der Kurvenverlauf kann sich von Punkt zu Punkt auf dem
Wandler ändern, wenn irgendwo ein Fehler in der Leiteranordnung vorhanden ist.
Diesen Nachteilen hilft die erfindungsgemäße An-5 Ordnung nach F i g. 2 ab. Hier sind die stromführenden
Leiter als schraubenförmige Primärwicklung ausgebildet, die auf einem zylindrischen Träger 15 angeordnet
ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Primärwicklung als doppelgängige Schraube auso
gebildet, d. h., ausgehend vom Anschluß 16 läuft eine Schraubenwicklung vorwärts bis zum Ende des Trägers
15 am Punkt 17 und in einer zweiten Schraube mit gleicher Steigung wieder rückwärts bis zum Anschluß
18. Ein Schnitt der beiden Schraubenwicklungen parallel zur Achse würde also identisch mit
dem Schnitt der stromführenden Leiter nach Fig. 1 sein. Die Stromrichtung der Windungen längs der
Achse wechselt regelmäßig ab.
Die Abnahmeleiter sind ebenfalls als doppelgängige Schraube ausgebildet, die als Primärwicklung auf
einem rohrförmigen Träger 19 angebracht ist. Die eine Schraubenwicklung beginnt beim Anschluß 20
und endet beim Anschluß 21, während die andere Schraubenwicklung beim Anschluß 22 beginnt und
bei 23 endet. Das Abnahmeglied 19 ist im Schnitt dargestellt.
Wenn ein Wechselstrom an die Anschlüsse 18 und 16 angelegt wird, so wird eine entsprechende Spannung
in der Wicklung 20, 21 in Abhängigkeit von der relativen Stellung der Abnahmespule und der stromführenden
Leiter erzeugt, wie oben erläutert wurde. Eine ähnliche Spannung wird auch zwischen den Anschlüssen
22 und 23 auftreten. Durch Reihenschaltung der beiden Wicklungen oder auch durch Ver-Wendung
jeder Wicklung unabhängig kann das auftretende Potential zur Bestimmung der Stellung des
Abnahmeelementes in bezug zu den stromführenden Leitern verwendet werden. Wird z. B. das Abnahmeglied
so weit verschoben, daß der Punkt A mit Punkt A' zur Deckung kommt, so ändert sich die induzierte
Spannung in der Abnahmewicklung von einem Minimum über ein Maximum wieder zu einem
Minimum.
Es sei nun angenommen, daß die Abnahmewicklung nicht verschoben wird, sondern um ihre Achse
X-X gedreht wird. Die Wirkung einer solchen Drehung um 180° würde nun genau einer Verschiebung
der Abnahmewicklung von A bis A' entsprechen. Wenn die Steigung der Wicklungen der stromführenden
Leiterschleife bekannt ist, so kann die Welle, welche den Träger 15 bildet, in linearen Verschiebungen sowie
in Graden geeicht werden, und A wird eine bestimmte lineare Stellung in bezug zur stromführenden
Wicklung haben, wenn der Abnahmestrom gleich Null ist. Es besteht natürlich eine Mehrdeutigkeit infolge
des periodischen Nulldurchgangs, aber diese kann mittels einer Grobmeßeinrichtung, welche die
ungefähre Stellung der Abnahmewicklung angibt, ausgeschaltet werden.
6c In F i g. 3 ist eine elektromechanische Stellvorrichtung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen
Wandlers dargestellt. Die stromführenden Wicklungen des Wandlers und ihr Träger sind mit 30 bezeichnet.
Der Teil 30 ist in Axialrichtung unverschieblich, aber frei um seine Achse drehbar. Zu diesem Zweck
wird der Wechselstrom der Wicklung 30 über Schleifringe 31 von der Stromquelle 32 zugeführt. Eine am
Träger 31 angebrachte Skala ist in Längeneinheiten
geeicht. Die Abnahmewicklung 33 befindet sich auf einem Support, beispielsweise einer Zahnstange 34,
die vom Zahnrad 35 angetrieben wird. Das Zahnrad 35 sitzt auf der Welle eines Stellmotors 36. Mit dem
Stellmotor 36 ist auch eine Meßvorrichtung 37 für die Grobverschiebung verbunden. Die Steuerspannung
für den Stellmotor 36 wird von einem Verstärker 38 bezogen, dessen Eingangsspannung je nach der Stellung
eines Schalters 40 von dem Abnahmeglied 33 oder einer Vergleichsvorrichtung 39 geliefert wird.
Die Vergleichsvorrichtung 39 wird einerseits von der Grobmeßeinrichtung 37 und andererseits von einer
Grobeinstellvorrichtung 41 gespeist.
Im Betrieb wird die Stellung des Abnahmegliedes durch die Betätigung der Grobstellvorrichtung 41 und
der Feineinstellvorrichtung am Träger 30 bestimmt. Die am Grobsteller 41 eingestellte Spannung wird so
lange über die Vergleichsvorrichtung 39, den Schalter 40 und den Verstärker 38 auf den Stellmotor 36 gegeben,
bis die Meßvorrichtung 37 ein Signal liefert, das der Einstellung des Grobstellers entspricht. Wenn
die Differenzspannung einen bestimmten Wert unterschreitet, so schaltet der Schalter 40 selbsttätig um,
so daß das vom Abnahmeglied 33 herrührende Signal an Stelle des Signals aus dem Vergleicher 39 im Verstärker
38 zugeführt wird.
In F i g. 4 ist beispielsweise eine Ausführungsform des Schalters 40 dargestellt. Die Ausgangsspannung
des Vergleichers 39 liegt am Anschluß 50 und beeinflußt das Relais 51 über einen Gleichrichter 53. Der
Arbeitskontakt 54 des Relais ist ebenfalls mit dem Anschluß 50 verbunden. Der Ruhekontakt 55 ist an
den Anschluß 56 für das Abtastelement 33 angeschlossen. Der Kontaktarm des Relais ist mit dem
Anschluß 57 verbunden, der zum Verstärker 38 führt. Sobald das Signal aus dem Vergleicher 39 einen bestimmten
Wert überschreitet, zieht die Wicklung 51 des Relais 52 den Kontaktarm an und verbindet so
den Verstärker 38 mit dem Anschluß 50. Sinkt dagegen die Spannung am Anschluß 50 unter einen bestimmten
Wert, so fällt das Relais ab und verbindet den Anschuß 56 mit dem Anschluß 57.
Das am Ausgang des Abnahmegliedes 33 auftretende Signal hängt von der Stellung dieses Gliedes in
Beziehung zur Primärwicklung 30 ab. Wie erwähnt, hängen die axialen Stellungen, in welchen die Spannung
Null auftritt, vom Drehwinkel der Primärwicklung 30 ab. Die Feineinstellung kann somit durch Einstellung
des Feinstellers erreicht werden. Die Stellvorrichtung sucht die Abnahmespule auf eine Nullage zu
zentrieren. Die Genauigkeit der Ausrichtung auf die Nullage hängt natürlich von der Präzision der Konstruktion
ab. Wenn jedoch das Abnahmeglied mehr als eine vollständige Windung überdeckt, werden sich
Abweichungen in den einzelnen spannungführenden Windungen bzw. Abnahmewindungen im Durchschnitt
ausgleichen. Da die Einrichtung auf Nullstellung arbeitet, wird die Genauigkeit durch Frequenzoder
Phasenänderungen im Speisestrom nicht beeinträchtigt. Es wurde gefunden, daß die gebräuchliche
Wickeltechnik unter Verwendung von normalen Drahtstärken eine außerordentliche Genauigkeit ergibt.
Beispielsweise ergibt eine Abnahmewicklung von 50 mm axialer Länge, gewickelt mit Draht vom
Durchmesser 0,3 mm, zusammen mit einer Primärwicklung, die als doppelgängige Schraube aus Draht
von 0,3 mm Durchmesser auf einem Zylinder von 25 mm Durchmesser gewickelt ist, bereits brauchbahre
Fehlerspannungen für Längenänderungen von 0,00025 mm.
Eine größere Genauigkeit der Wicklung kann man noch erhalten, wenn Rillen in den Körper 15 eingeschnitten
werden und der Draht in diese Rillen gewickelt wird.
Die Sekundärwicklung und die Primärwicklung brauchen nicht unbedingt als doppelgängige Schraube
ausgeführt zu sein. Beispielsweise ist in F i g. 5 ein elektromechanischer Wandler dargestellt, bei dem nur
die Primärwicklung 61 als doppelgängige Schraube ausgebildet ist. An die Primärseite des vorgeschalteten
Transformators 60 wird ein Wechselstrom angelegt. Die Sekundärseite dieses Transformators ist über
einer Mittelanzapfung mit Masse verbunden und speist die Primärwicklung 61, die, wie gesagt, eine doppelgängige
Schraube darstellt. Eine einfache Sekundärwicklung 62 umgibt die Wicklung 61 und ist an einem
Ende mit Masse verbunden. Am anderen Ende der Wicklung 62 ergibt sich am Anschluß 63 eine induzierte
Spannung, die ein Maß für die Verschiebung der Wicklung 62 darstellt. Die Arbeitsweise dieser
Einrichtung ist die gleiche wie oben beschrieben. Im allgemeinen ist jedoch die Ausführung mit zwei doppelgängigen
Schrauben vorzuziehen, da bei dieser Wicklungsart keine Beeinflussung durch äußere Felder
auftritt.
F i g. 6 zeigt eine weitere Abänderung für den Fall, daß eine schärfere Nullanzeige gewünscht wird. Auf
dem Träger 65 sind wie in F i g. 1 bzw. 2 zwei stromführende Wicklungen mit entgegengesetzter Stromrichtung
angebracht. Der Träger 66 weist dagegen eine bifilar gewickelte Abnahmewicklung auf. Es sind
also je zwei Drähte eng nebeneinander angeordnet, wobei die Schraubensteigung erheblich größer als der
Drahtabstand ist. Werden die zwei benachbarten Drähte über einen stromführenden Draht hinweg verschoben,
so ergibt sich ein rasches Ansteigen der induzierten Spannung, eine rasche Phasenumkehr und
ein rascher Abfall. Die Nullage ist infolgedessen sehr gut definiert. Diese Form, bei der keine sinusförmige
Ausgangsspannung auftritt, ist nicht so brauchbar, wenn zwischen den Nullpunkten interpoliert werden
soll. Sie ist jedoch vorteilhaft bei Verwendung in einer Schaltung nach F i g. 3, bei der nur die Maximal- bzw.
Nulldurchgänge ausgewertet werden.
Claims (7)
1. Elektromagnetischer Wandler zur Messung von Verschiebungen, bestehend aus einer Reihe
wechselstromführender Leiter und einer Reihe von Abnahmeleitern, die jeweils in Serie geschaltet
und derart gegeneinander verschiebbar sind, daß die in den Abnahmeleitern induzierte Stromstärke
von deren Stellung hinsichtlich der stromführenden Leiter abhängt und ein Maximum
erreicht, wenn die Abnahmeleiter den stromführenden Leitern unmittelbar gegenüberstehen, dadurch
gekennzeichnet, daß die stromführenden Leiter (2) und die Abnahmeleiter (4) als schraubenförmige Primär- und Sekundärwicklungen
gleicher Steigung ausgebildet sind, die auf zwei koaxial angeordneten zylindrischen Gliedern
(15,19) angeordnet sind.
2. Elektromagnetischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
eine der Wicklungen aus einer zweidrähtig als doppelgängige Schraube gewickelten Leiterschleife
(ζ. B. auf Glied 15 oder Wicklung 61) besteht, so daß die Stromrichtung der Windungen längs der
Achse abwechselt.
3. Elektromagnetischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine
Leiterschleife (Glied 66) bifilar gewickelt ist.
4. Elektromagnetischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge des einen zylindrischen Gliedes (30) diejenige des anderen zylindrischen
Gliedes (33) um ein Mehrfaches übertrifft.
5. Elektromagnetischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden
zylindrischen Glieder relativ zueinander um ihre Achse drehbar sind, so daß das Ausmaß der
Rückdrehung bis zum Auftreten eines Extremwertes an der Abnahmewicklung als Maß für die
entsprechende Längsverschiebung verwendbar ist.
6. Elektromagnetischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung
in einer elektromechanischen Stellvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen
Glieder so lange gegeneinander verstellt werden, bis das von der Abnahmewicklung abgegebene
Signal einen Extremwert erreicht hat.
7. Elektromagnetischer Wandler nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Grobeinstellung die Anzahl der auftretenden Extremwerte während der Längsverschiebung von
einem Bezugspunkt aus und zur Feineinstellung die dann noch vorhandene Spannung an der Abnahmewicklung dient.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 872643;
USA.-Patentschrift Nr. 2 650 352.
Deutsche Patentschrift Nr. 872643;
USA.-Patentschrift Nr. 2 650 352.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409 509/195 2.64 © Bundesdruckerei Berlin
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CA698234 | 1955-12-15 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1163562B true DE1163562B (de) | 1964-02-20 |
Family
ID=34398220
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1956B0042794 Pending DE1163562B (de) | 1955-12-15 | 1956-12-12 | Elektromagnetischer Wandler zur Messung von Verschiebungen. |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE1163562B (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2910395A1 (de) * | 1978-04-27 | 1979-11-08 | Sergeev | Polyfilarer umwandler von verschiebungen in elektrische signale |
DE3826561A1 (de) * | 1988-08-04 | 1990-02-08 | Rexroth Mannesmann Gmbh | Kapazitiver wegaufnehmer |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE872643C (de) * | 1944-10-07 | 1953-04-02 | Pierre Buisson | Vorrichtung zum Messen der Abstandsaenderung zweier Elemente durch Messung der AEnderung der Kapazitaet |
US2650352A (en) * | 1947-12-27 | 1953-08-25 | Edward G Martin | Variable inductance for measuring motion |
-
1956
- 1956-12-12 DE DE1956B0042794 patent/DE1163562B/de active Pending
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