DE1287804B - - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Mittels einer weiteren, in Umfangsrichtung über

Meßumformer mit einem in sich geschlossenen, sät- !den gesamten Kern verteilten und gegensinnig zur tigbaren ferromagnetischen Kern, einer über einen ersten Wicklung von Gleichstrom durchflossenen Gleichrichter aus einer Wechselspannungsquelle ge- Rückstellwicklung ist es möglich, den Arbeitspunkt speisten Wicklung auf dem Kern und einem Magnet, 5 des Meßumformers auf seiner Magnetverstärkerkenndessen Stellung ein Maß für die Größe einer physika- linie durch die richtige Wahl des Gleichstroms optilischen Größe ist und der in dem ferromagnetischen mal so zu wählen, daß der Meßumformer empfindlich Kern einen von seiner Stellung abhängigen Magnet- und praktisch linear arbeitet.

fluß erzeugt, durch den die Impedanz der Wicklung Sieht man auf dem ringförmigen Kern eine dritte,

geändert wird, so daß sich der durch die Wicklung io aus zwei an gegenüberliegenden Bereichen des Kerns fließende Strom entsprechend der physikalischen angeordneten Teilwicklungen bestehende und von Größe ändert. : Gleichstrom durchflossene Wicklung zum Polarisie-

Von magnetischen Verstärkern ist das Prinzip be- ren des Kerns vor, so erhält man einen Meßkannt, die Induktivität einer Wechselstromdrossel umformer, bei dem die Impedanz der ersten Wickdurch eine variable Gleichstromvormagnetisierung zu 15 lung durch Rotation des Magnets veränderbar ist, ändern. Von solchen Verstärkern ist ebenfalls be- der also auf eine Drehbewegung des Magnets ankannt, die Gleichstromvormagnetisierung durch eine spricht. Den gleichen Effekt erzielt man durch minde-Einweggleichrichtung des die Drossel durchfließen- stens ein zwischen Kern und Magnet angeordnetes den Wechselstromes zu erzielen. Die Übertragung des Polstück. In diesem Fall ist die Impedanz der gleichen Prinzips auf einen elektrischen Meßgeber für ao ersten Wicklung entweder durch Rotation des Ma-Fernanzeige und Fernsteuereinrichtungen ist eben- gnets oder des Polstückes relativ zum Kern Verfalls bekanntgeworden. Der bekannte Geber weist änderbar.

eine von periodisch veränderlichem Gleichstrom ge- Der durch die erste Wicklung fließende und in seispeiste Drosselspulenanordnung auf, deren Strom ner Stärke von der Stellung des Magnets abhängige mittels eines in seiner Stellung veränderbaren und je 25 Strom wird im allgemeinen durch einen Widerstand nach Stellung eine unterschiedliche Vormagnetisie- geleitet, an dem dann eine von der Stellung des rung bewirkenden Permanentmagnets veränderbar ist. Magnets abhängige Ausgangsspännung abfällt. Bei Der Magnet ist drehbeweglich, und die zu messende einem Meßumformer mit einem Ringkern und einem physikalische Größe beeinflußt seine Winkelstellung. diesem zugeordneten Magnet wird die Ausgangsspan-Bei dem bekannten Meßumformer muß jedoch der 30 nung niemals vollständig zu Null, außerdem kann sie Permanentmagnet sehr genau gelagert sein, da eine ihre Polarität nicht ändern. Bei Meßanordnungen ist seitliche, radiale Bewegung des Magnets die Impe- häufig jedoch eine Ausgangs^annjing^erwünscht, die danz der Drosselspulenanordnung ebenfalls beein- auch zu Null werden und ihre Polarität umkehren flüssen und damit zu einer Verfälschung des Meß- kann. Solch ein Verhalten erzielt man mit einem wertes führen würde. 35 Meßumformer, bei dem parallel und in einem unge-

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist fähr der Länge des Magnets entsprechenden Abstands es, einen Meßumformer zu schaffen, bei dem unge- neben dem ersten bewickelten Kern ein diesem gleiwollte, seitlich radiale Bewegungen des Magnets kei- chender, ebenfalls bewickelter Kern angeordnet ist, nen Einfluß auf die Meßanzeige haben und der daher wobei die Wicklungen beider Kerne in einer Gegeneinfacher und billiger aufgebaut sein kann und auch 40 taktschaltung gespeist und mittels eines Widerstandes unter rauhen Betriebsbedingungen einwandfrei ar- wechselspannungsmäßig in Serie verbunden sind. Der beitet. Magnet taucht dann in den einen Kern in gleichem

Dieses Problem wird für einen Meßumformer der Maße stärker ein, wie er den anderen verläßt. An eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß erfin- einem den beiden Wicklungen der beiden Kerne dungsgemäß der den Magnet umgebende Kern ring- 45 gemeinsamen Lastwiderstand fällt dann dabei eine förmig ausgebildet ist und daß die Wicklung auf dem Spannung ab, die ihre Polarität beim Durchgang des Kern in Umfangsrichtung über den gesamten Kern Magnets durch die mittlere Stellung zwischen den verteilt ist. beiden Kernen ändert.

Bei diesem Meßumformer haben seitliche radiale Um die Wirkungsweise des Meßumformers noch

Bewegungen des Magnets keinen Einfluß, da im Fall, 5° stärker zu linearisieren, ist es zweckmäßig, den an in dem der Magnet einem Abschnitt der Wicklung den Stirnflächen des Magnets auftretenden Streufluß mehr angenähert ist, der Magnet von dem diametral zu verringern. Zu diesem Zweck kann der Meßumforgegenüberliegenden Wicklungsabschnitt um den glei- mer einen parallel neben dem bewickelten Kern anchen Betrag weiter entfernt ist. Es ist also möglich, geordneten und diesem gleichenden zweiten Kern größere Toleranzen in der radialen Lage des Magnets 55 ohne Wicklung aufweisen, der als Abschirmung dient, zuzulassen, wodurch ein gemäß der Erfindung ausge- Die Erfindung ist im folgenden an Hand schemati-

bildeter Wandler einfacher und billiger hergestellt scher Zeichnungen an mehreren vorteilhaften Auswerden kann. führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Der erfindungsgemäße Meßumformer in seiner ' F i g. 1 schematisch Anordnung und Schaltung einfachsten Ausbildungsform ist auch gegenüber 60 eines erfindungsgemäßen Meßumformers mit einem Drehbewegungen des Magnets unempfindlich. Er Ringkern,

spricht lediglich auf Translationsbewegungen des F i g. 2 eine Seitenansicht des Meßumformers nach

Magnets in einer zur Ebene des ringförmigen Kerns F i g. 1,

senkrechten Richtung an. Um einen besonders hohen Fig. 3 einen Meßumformer nach Fig. 1 mit einer

Wirkungsgrad zu erzielen, ist es zweckmäßig, den 65 zusätzlichen Polarisationswicklung, der auf eine Ro-Magnet als im Querschnitt kreisförmigen, längs eines tation des Magnets anspricht,

Durchmessers magnetisierten Permanentmagnets aus- Fig. 4 einen Meßumformer nach Fig. 1 mit zu-

zubilden. sätzlichen Polstücken zwischen dem Magnet und dem

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kreis für die beiden Wicklungen ist über jeweils eine Diode 17 bzw. 17' und einen gemeinsamen, mit der Mittelanzapfung 32 der Sekundärwicklung verbundenen Lastwiderstand 18 geschlossen. Eine Rückstellwicklung 13 für die beiden Kerne ist nicht erforderlieh. Dafür sind die beiden Wicklungen 12 und 12' an der zu den Dioden führenden Seite mittels eines Widerstandes 27 untereinander verbunden, wodurch beide Wicklungen wechselspannungsmäßig in Serie liegen und ein Teil des Meßstroms in der jeweils einen Wicklung als Rückstellstrom durch die jeweils andere Wicklung fließt.

Der Meßumformer nach F i g. 5 weist neben den bewickelten Kernen 11 und 11' angeordnete unbewickelte Kerne 11 α bzw. 11a' auf, deren Größe und Aufbau den Kernen 11 bzw. 11' gleicht. Die Kerne 11a bzw. Ua' unterdrücken die Streufelder am Ende der Magnete 14, wodurch ein verbessertes lineares Verhalten des Meßumformers erzielt ist. Natürlich läßt sich eine solche Abschirmung auch bei einem ao Meßumformer mit nur einem Kern und einem Magnet anwenden:

"Bei den bisher beschriebenen Meßumformern sinkt die Ausgängsspannung wegen der unvermeidlich auftretenden Verluste auch bei vollständig aus dem Kern entfernten Magnet niemals ganz auf Null ab. Außerdem wechselt die Ausgangsspannung ihre Polarität nicht.

Fig. 7 zeigt einen Meßumformer, bei dem die Ausgangsspannung auf Null absinken und ihre PoIarität wechseln kann. Bei diesem Meßumformer sind einem Magnet 14 zwei Kerne 11 bzw. 11' zugeordnet. Beide Kerne gleichen dem Kern des Meßumformers nach F i g. 1 und sind parallel und mit einem mittleren Abstand zueinander angeordnet, der ungefähr der Länge des Magnets 14 entspricht. Der Magnet 14 führt in Abhängigkeit von der zu messenden physikalischen Größe Translationsbewegungen zwischen den beiden Kernen aus und taucht dabei in den jeweils einen Kern um so tiefer ein, je mehr er sich aus dem jeweils anderen Kern entfernt. In einer mittleren Stellung beeinflußt er beide Kerne in gleicher Weise. Unbewickelte Kerne als Abschirmung sind bei diesem Meßumformer nicht erforderlich, da die beiden Kerne 11 und 11' gegenseitig als Abschirmung wirken. ' '

Dieser Meßumformer wird in einer Gegentaktschaltung nach F i g. 8 betrieben, welche weitgehend der Vollwegschaltung nach F i g. 6 gleicht: Jedoch liegt der Lastwiderstand 18 nicht in der gemeinsamen Rückleitung zur Mittelanzapfung 32, sondern parallel zu zwei Widerständen 33 bzw. 33', welche die Dioden 17 bzw. 17' mit der Mittelanzapfung verbinden. Der während einer Halbperiode fließende Strom ist in der Schaltung durch Pfeile angedeutet, wobei die den Rückstellstrom bezeichnenden Pfeile Kennstriche tragen. Es leitet die Diode 17, und die Diode 17' sperrt. Während der folgenden Halbperiode fließt Strom durch die Diode 17' und in entgegengesetzter Richtung durch den Lastwiderstand 18. Der Rückstellstrom über den Widerstand 27 kehrt dann seine Richtung um. Während jeder Halbwelle fließt also ein Strom durch den Widerstand 18 in jeweils entgegengesetzter Richtung. Befindet sich der Magnet 14 in seiner mittleren Stellung zwischen den beiden Kernen 11 bzw. 11', sind die beiden Stromhalbwellen im Widerstand 18 gleich groß und heben sich damit gegenseitig auf, so daß die mittlere Ausgangsspannung am Widerstand 18 zu Null wird. Bei einer Ver-. Schiebung des Magnets in der einen oder anderen Richtung überwiegt die eine oder andere Stromhalbwelle im Widerstand 18, und es ergibt sich eine positive bzw. negative mittlere Ausgangsspannung an diesen, welche an den Klemmen 20 und 20' abnehmbar ist.

Die Schaltung nach F i g. 9 gleicht derjenigen nach Fig. 8, jedoch sind die Widerstände 33 und 33' durch Schalttransistoren T bzw. T' ersetzt. Da die Transistoren erheblich verlustfreier als die Widerstände 33 arbeiten, ergibt sich ein größerer Wirkungsgrad der Schaltung nach Fig. 9 gegenüber der nach Fig. 8.

Mit einem Meßumformer nach den Fig. 7 und 8 wurden folgende Versuchsergebnisse erzielt:

Gegenstand	Zahlenwerte
Linearer Ausgangs
spannungsbereich .....	+2,5 bis-2,5 Volt
Eingangsbewegung ......	+ 1,25 bis -1,25 mm
Linearität	±0,19o/o
Temperaturkoeffizient..	0,011% je 0C .
Ausgangswiderstand	1700hm
Ausgangsleistung
in R 18,IkQ .........	24 Milliwatt
Erregung ........ ...	30 Volt, 5 kHz

Unter Verwendung einer Meßumformeranordnung mit vier Kernen ist in Anlehnung an bekannte magnetische Verstärker auch eine Schaltung möglich, die gleichzeitig im Vollweg- und Gegentaktbetrieb arbeitet. Eine Vollwegschaltung läßt sich unter Verwendung eines Graetz-Gleichrichters auch mit einem Meßumformer mit nur einem einzigen Kern erzielen. Anstatt die am Widerstand 18 abfallende Spannung als mittlere Ausgangsgleichspannüng zu verwerten, ist es natürlich auch möglich, sie als impulsbreitenmodulierte Spannung zu verwenden und entsprechenden Geräten, z. B. Impulshöhen- und Impulsbreitenverstärkern oder Analog-Digital-Wandlern, zuzuführen.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   : 1. Elektromagnetischer Meßumformer mit einem in sich geschlossenen, sättigbaren ferromagnetischen Kern, einer über einen Gleichrichter aus einer Wechselspannungsquelle gespeisten Wicklung auf dem Kern und einem Magnet, dessen Stellung ein Maß für die Größe einer physikalischen Größe ist und der in dem ferromagnetischen Kern einen von seiner Stellung abhängigen Magnetfluß erzeugt, durch den die Impedanz der Wicklung geändert wird, so daß sich der durch die Wicklung fließende Strom entsprechend der physikalischen Größe ändert, dadurch gekennzeichnet, daß der den Magnet (14) umgebende Kern (11) ringförmig ausgebildet ist und daß die Wicklung (12) auf dem Kern in Umfangsrichtung über den gesamten Kern verteilt ist.
2. 2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet als im Querschnitt kreisförmiger, längs eines Durchmessers magnetisierter Permanentmagnet (14) ausgebildet ist.

   1C287I8O4
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   Kern, der ebenfalls auf Rotationsbewegungen des stellung des Magnets senkrecht zur Ebene des^: Kerns Magnets anspricht, und ist wegen der ringförmigen Gestalt des Kerns

   F i g. 5 einen Meßumformer in einer abgewandelten unabhängig von Rotations- oder seitlich radialen Ausbildungsform mit zwei Kernen und zwei gemein- Bewegungen des Magnets. Die variable Ausgangssam verstellbaren Magneten, v-5 bespannung am Widerstand 18 ist an den Klemmen

   ¹ Fig. 6 ein Schaltbild für den Meßumformer nach 20 und 20'abnehmbar.

   Fig. 5, In Fig. 3 ist ein Meßumformer gezeigt, der dem-

   Fig. 7 eine weitere Ausbildungsform eines Meß- jenigen nach Fig. 1 und 2 weitgehend gleicht. Jeumformers mit zwei bewickelten Kernen und einem doch trägt sein Kern 11 zusätzlich eine aus zwei Teilzwischen diesen verschiebbaren Permanentmagnet, io wicklungen 25 und 25' bestehende Wicklung, wobei Fig. 8 und 9 Schaltbilder für den Meßumformer die beiden Teilwicklungen aneinander gegenüberlienach F i g. 7. genden Bereichen des Kerns angeordnet sind. Die

   Ein Meßumformer 10 nach Fig. 1 weist einen Wicklungen25 und 25' sind in Serie an eine Gleichringförmigen Kern 11 auf, der zwei Wicklungen 12 Spannungsquelle angeschlossen und erzeugen dadurch und 13 trägt, die in Umfangsrichtung über den ge- 15 eine Magnetisierung längs ihrer Symmetrieachse 26, samten Kern verteilt sind. Ein Permanentmagnet 14 wodurch der Kern polarisiert wird. Damit ist erreicht, ist innerhalb des Kerns so gelagert, daß er, wie aus daß der Meßumformer nach F ig. 3 nicht auf Trans-Fig. 2 ersichtlich, Translationsbewegungen längs der lations-, sondern auf Rotationsbewegungen des Ma-Mittelachse des Kerns 11 ausführen kann. Der Ma- gnets 14 anspricht. :

   gnet 14 ist von kreisförmigem Querschnitt und längs 20 Der Magnet 14 ist in Fig. 3 in seiner Nullstellung eines Durchmessers des Kerns 11, magnetisiert. Es gezeigt, in der seine Magnetisierungsrichtung" mit der können jedoch auch Magnete anderer Formen und Symmetrieachse 26 zusammenfällt. Richtung und gegebenenfalls solche mit Polstücken verwendet wer- Größe des Stromes ,in der Wicklung 25, 25' sind so den. Die Translationsbewegung des Magnets ist von gewäMt, daß sich die magnetomotorischen Kräfte der der zu messenden physikalischen Größe abgeleitet. 25 Spule 25, 25'und des Magnets 14 in der Nullstellung Der Magnet kann z. B. mit einer Rohrmembran oder des Magnets gerade aufheben. Bei einer Drehung des einem Stellmotor verbunden sein. ,: Magnets 14 aus.;,seiner Nullstellung wird dieses

   Der ringförmige Kern 11 besteht aus einem sättig- Gleichgewicht mehr oder weniger stark gestört,und baren ferromagnetischen Material, das in Form eines es ergibt sich eine Magnetisierung des Kerns 11, die dünnen Streifens spiralförmig aufgewickelt ist und 3? zu einer Änderung der Ausgangsspannung am Widereine quadratische Hysteresiskurve aufweist. Ein ge- stand 18 in Abhängigkeit von der Drehung des Maeignetes Material· mit hoher Permeabilität ist eine gnets 14 führt.

   Nickel-Molybdän-Eiseri-Legierung. Ein typischer Der in Fi g. 4 dargestellte Meßumformer gleicht

   Kern umfaßt etwa hundert Windungen eines etwa in der Wirkungsweise demjenigen nach Fig. 3. Je-2,5 mm breiten Streifens von etwa 0,025 mm Dicke. 35 doch sind die den Kern polarisierenden Teilwicklun-Die als Vollinie gezeichnete erste Wicklung 12 ist gen 25 und 25' durch zwei magnetische Polstücke 38 in Serie mit einer Diode 17 und einem Lastwiderstand und 38' ersetzt. Zeigt die magnetische Achse des Ma-18 verbunden. Die Anordnung ist aus einer Wechsel- gnets 14 in die in Fig. 4 dargestellte Richtung, so stromquelle gespeist, die eine Rechteckwelle abgibt. stören die Polstücke 38 und 38'die Wirkung des Main der Wicklung 12 fließt dann ein pulsierender 40 gnets 14 auf den Kern 11 nicht. Wird jedoch der Ma-Gleichstrom. Die weitere gestrichelt gezeichnete gnet aus seiner gezeigten Stellung z. B. um 90° ge-Wickluhg 13 dient als Rückstellwicklung und ist mit dreht, verläuft seine magnetische Achse zwischen den einer Gleichspannungsquelle so verbunden, daß der Enden der beiden Polstücke. Dann dringt sein Feld durch sie in dem Kern 11 erzeugte Magnetfluß dem nicht in den Kern 11, sondern wird über der kürzeren durch den pulsierenden Gleichstrom erzeugten Fluß 45 Spalte zwischen den Polstücken 38 und 38' kürzentgegengerichtet ist. geschlossen. Die Wirkung des Magnets 14 auf den

   Wie bei magnetischen Verstärkern besteht zwischen Kern 11 variiert also in Abhängigkeit von seiner Winder Stärke des'in der Wicklung 13 fließenden Stromes kelstellung zwischen einem Maximum und einem und der Stärke des pulsierenden Gleichstromes in der Minimum. Selbstverständlich ist es möglich, an Stelle Wicklung 12, die als Spannungsabfall am Widerstand 50 des Magnets 14 die beiden Polstücke 38 und 38' zu 18 in Erscheinung tritt, eine durch die Hysteresis- drehen.

   kurve des Kernmaterials bestimmte Beziehung. Im ^; Bei den bisher beschriebenen Meßumformern wird Gegensatz zu magnetischen Verstärkern wird jedoch nur eine Halbwelle der ah der Wicklung 12 anliegender Strom in der Rückstellwicklung 13 so groß ge- den Wechselspannung zur Messung ausgenutzt. Eine wählt, daß die Spannung am Widerstand 18 von ihm 55 Ausnutzung beider Halbwellen ist mit dem in Fig. 5 praktisch unabhängig wird. Dann ändert sich die gezeigten Meßumformer möglich. Dieser weist zwei Ausgangsspannung am Widerstand 18 im wesent- ringförmige Kerne 11 und 1Γ auf, denen jeweils ein liehen linear mit der Stellung des Magnets 14 relativ Magnet 14 a bzw. 14 d in der gleichen Weise wie bei zum Kern 11. Auf Grund der Magnetisierung des den oben beschriebenen Meßmformern zugeordnet Kerns durch den Magnet wird die Ausgangsspannung 60 ist. Den beiden Magneten wird gemeinsam durch die am Widerstand 18 um so größer, je tiefer der Magnet zu messende physikalische Größe eine Translationsin den Kern eingeführt ist. Der Magnet ändert den bewegung erteilt.

   effektiven Sättigungswert des Kerns und damit die Dieser Meßumformer wird in einer Vollwegschal-

   Dauer des Stromflusses in der Wicklung 12 und dem rung nach F i g. 6 betrieben. Die rechteckförmige Widerstand 18, während der die Wicklung 12 keinen 65 Wechselspannung wird über einen Übertrager 28 den Scheinwiderstand aufweist und praktisch eine Kurz- beiden Wicklungen 12 und 12' zugeführt, die mit schlußverbindüng darstellt. Dabei ändert sich die der Sekundärwicklung 29 dieses Übertragers an deren Stromflußdauer nur in Abhängigkeit von einer Ver- Endpunkten 30 und 31 verbünden sind. Der Strom-
3. 3. Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2 mit mehreren Wicklungen auf dem Kern, gekennzeichnet durch eine zweite in Umfangsrichtung über den gesamten Kern (11) verteilte und gegensinnig zur Wicklung (12) von Gleichstrom durchflossene Rückstellwicklung (13).
4. 4. Meßumformer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine dritte, aus zwei an gegenüberliegenden Bereichen des Kerns (11) angeordneten Teilwicklungen (25, 25') bestehende und von Gleichstrom durchflossene Wicklung zum Polarisieren des Kerns, wobei die Impedanz der Wicklung (12) durch Rotation des Magnets (14) änderbar ist.
5. 5. Meßumformer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch mindestens ein zwischen Kern (11) und Magnet (14) angeordnetes Polstück (38; 38'), wobei die Impedanz der Wicklung (12) durch

   Rotation des Magnets (14) oder des Polstückes relativ zum Kern änderbar ist.
6. 6. Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel und in einem ungefähr der Länge des Magnets (14) entsprechenden Abstand neben dem bewickelten Kern (11) ein diesem gleichender Kern (H') angeordnet ist, deren beide Wicklungen (12; 12') in einer Gegentaktschaltung (28,17, 33) gespeist und mittels eines Widerstandes (27) wechselspannungsmäßig in Serie verbunden sind.
7. 7. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen parallel neben dem bewickelten Kern (11 bzw. 11') angeordneten, diesem gleichenden zweiten Kern (lla bzw. lla') ohne Wicklung als Abschirmung gegen den an der Stirnfläche des Magnets (14 a bzw. 14 ft) austretenden Streufluß.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   909504/1547