DE2328354A1

DE2328354A1 - Mechanischer wandler

Info

Publication number: DE2328354A1
Application number: DE2328354A
Authority: DE
Inventors: Peter Douglas Dieterich; Jun William Henry Eiszner; John Pippart Locke
Original assignee: Dieterich Peter Douglas Boulder Col (vsta)
Current assignee: Delaware Capital Formation Inc
Priority date: 1972-06-06
Filing date: 1973-06-04
Publication date: 1973-12-20
Also published as: NL7307872A; JPS4963456A; DE2328354C2; FR2188749A5; IT988218B; CA1002784A; SE388018B; GB1438869A; AU5652773A; ZA733733B

Description

Mechanischer Wandler
(Priorität: 6, Juni 1972, USA, Nr. 260 1.87)

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Wandler, der eine in wesentlichen geradlinige translatorische Bewegung in eine· Drehbewegung umsetzt. '

Die oben beschriebene einfache Umwandlung ist mittels bekannter mechanischer Mechanismen möglich, beispielsweise mittels eines Zahnstangen-Ritzel-G-etriebes. Im vorliegenden Pail soll .jedoch die einfache Funktion auf einen Fall angewendet werden, in dem zwei auf bekannte Weise nur- schwierig zu lösende Forderungen erfüllt werden sollen. Die eine Forderung ist die, daß die Bewegungsumwandlung über eine körperliche Schranke hinweg, beispieloweise eine hermetisch abgedichtete Wand erfolgen soll. Die andere Forderung besteht darin, daß die Umwandlung entsprechend einer vorherbestimmten Beziehung erfolgen soll.

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Die erstere Forderung kann· unter Verwendung von Magneten erfüllt werden, die auf einander gegenüberliegenden Seiten der Viand beweglich sind und deren magnetische Felder durch die V/and hindurch miteinander gekoppelt sind. Die zweite Forderung ist bisher nicht erfüllt worden. *

Für einen speziellen Anwendungsfall bezieht sich die Br- · findung auf ein Meßgerät zur Messung eines Parameters, das dauernd und .automatisch arbeitet und Messungen von Hand und Rechnungen erübrigt, wie sie mit bekannten Geräten dieser Art erforderlich sino·. Besonders wichtig ist dabei, daß daö Gerät zuverlässig und genau arbeitet.

Es sind bisher vielerlei Konstruktionen zur Übertragung einer Bewegung durch magnetische Kopplung bei Instrumenten "bekannt, beispielsweise aus den US-PSen 2 745 027, 2 722 617,-2 564 676, 2 371 511 und· 2 260 516. Diese Ausführungsbei«pi^Te haben verschiedene Nachteile, die durch die Erfindung vermieden werden sollen.

lach diesen beispielhaften Ausführungsformen erfolgt auf bekannte ¥eise die Übertragung oder Umwandlung einer Bewegung durch magnetische Felder, wobei jeweils ein Pol einem anderen gegenüberliegt, so daß die Bewegung eines Magneten gegenüber einem anderen oder die Bewegung einer Reihe von .Magneten gegenüber einen' anderen durch die magnetischen Kräfte erfolgt, die die Pole miteinander verbinden. Soweit bekannt, unterscheidet sich diese Bewegung -

der
nicht wesentlich von miteinander kämmender Zahnräder oder von der Kopplung durch Drehung des Feldes einer synchronen elektromagnetischen Einrichtung, duxch die eine Drehung erreicht wird.

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Bei solchen Konstruktionen bedingen die erzielten Bewegungen und die an das Gerät zu stellenden Forderungen Einschränkungen, die in der Instrumententechnik unannehmbar sind. Von diesen Nachteilen seien im folgenden einige erwähnt,

Bei den meisten Instrumenten ist es nicht möglich, eine . große Anzahl von Magneten zu verwenden, um eine Zahnstangen~Pd_tzel-Wirkung zu erzielen. Beispielsweise reicht der vorhandene Haum nicht aus, die Gewichtszunahme ist nicht zulässig, das eine und/oder andere der beweglichen, angetriebenen oder antreibenden Teile kann die erforderliche Bewegung nicht, ausführen.

Eine bestimmte Beziehung zwischen der Bewegung der antreibenden und der angetriebenen magnetischen. !Teile ist nur schwierig oder überhaupt nicht zu erreichen, so daß die Skalen der Instrumente besonders geeicht und im Tall von Parametern zweiter Ordnung an einem Ende verdichtet und am anderen auseinandergezogen werden müssen. " .-

Für die praktische Anwendung war bisher der Spalt zwischen den magnetischen Teilen zu klein. Auch wenn, eine Trenneinrichtung zwischen den gegeneinander beweglichen Teilen -vorgesehen werden kann, sind die Drücke, die in einem gegebenen Instrument aufgenommen werden können, proportional der Stärke, mit der die Trenneinrichtung gebaut werden kann. Schmale Spalte und damit schmale Trenneinrichtungen können nur in mit niedrigen Drücken arbeitenden Geräten vorgesehen werden.

Der erfindungsgemäße Bewegungswandler zur Umwandlung einer im wesentlichen geradlinigen Bewegung in eine Drehbewegung, wobei die Beziehung zwischen den Bewegungen einer vorherbestimmten Funktion folgt, enthält ein lineares Element, das in einer im wesentlichen geradlinigen Richtung beweglich ist und ein drehbares Element.

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das sich dreht, wenn das lineare Element geradlinig bewegt wird. Das lineare Element des Wandlers besteht aus wenigstens einem Paar in der Richtung Seite an Seite ausgerichtete Stabmagneten, die je eine koplanare Polfläche aufweisen, die eine zu der Richtung parallele Ebene bildet. An einander angrenzend angeordnete Magnete haben in dieser Ebene abwechselnde Polarität-.- Die Längsabmessung der Magnete, die den Abstand zwischen den Polflächen darstellt, ist wesentlich kurzer als ihre seitliche Abmessung wenigstens in dieser Richtung. Das drehbare Element besteht aus einem insgesamt zylindrischen, seitlich polarisierten Magneten. Ferner ist eine Befestigungseinrichtung für den drehbaren Magneten vorgesehen, dessen Achse insgesamt unter einem rechten Winkel au der Richtung verläuft und in einem Abstand von der Ebene angeordnet ist, der ausreicht, zwischen der Umfangsfläche des zylindrischen Magneten und der Ebene einen Spalt zu bilden. Mit dem zylindrischen Magneten istyeine Polgeeinrichtung verbunden, die entsprechend dein Drehwinkel des Magneten beweglich -»e*.

Der erfindungsgemäße mechanische Wandler, ist besonders vorteilhaft bei Fluid-Druckmeßgeräten anwendbar.

Anhand der in der beigefügten Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 .die schematische, perspektivische Ansicht einer Reihe von drei Stabmagneten mit einem Rotormagneten, dessen magnetisches Feld mit denen der Stabmagnete in Verbindung steht, wobei die Funktion des Drehwinkels des Rötormagneten gegenüber der geradlinigen Bewegung der Reihe von Magneten linear gemacht werden kann;

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Fig. 2 eine Fig. 1 ähnliche perspektivische Ansicht, wobei jedoch die Funktion einer Quadratwurzelfunktion.oder einer ähnlichen Funktion folgtJ

Fig. 5. eine Fig. 1 ähnliche perspektivische Ansicht, wobei die Reihe von Stabmagneten ein Magnetpaar enthält und wobei 'die funktionelle Beziehung zwischen den Bewegungen der jeweiligen Magnetischen Teile, linear sein kann; und

Fig. 4 das kinematische Diagramm eines Druckmeßgeräts, das' mit dem erfindungsgemäßen mechanischen Mechanismus aufgebaut ist und das im. folgenden zur Erläuterung der Funktionsweise des Druckmeßgeräts dient.

Fig. 1 zeigt schematisch die magnetischen Hauptbestandteile eines Wandlers oder Bewegungsiibertragers 10, der nach dem Prinzip der Erfindung aufgebaut ist und arbeitet. Der Wandler enthält zwei Teile, nämlich eine Reihe von Magneten 12 und einen zylindrischen Magneten 14. Die Reihe 12 sei als "lineares Element" und der zylindrische Magnet 14 als "drehbares Element" bezeichnet. Das lineare Element 12 ist in Richtung des Doppelpfeils 16 beweglich. Das drehbare Element 14 bildet den angetriebenen Teil des Wandlers 10. Seine Drehachse ist feststehend, der Magnet selbst ist in Richtung des Doppelpfeils 18 drehbar. Die Beziehung zwischen der linearen Bewegung des linearen Elements 12 und der Winkelbewegung des drehbaren Elements 14 folgt einem vorherbestimmten Gesetz, das beim Aufbau der Elemente vorgegeben wird. Dieses Gesetz ist je nach Wunsch des Konstrukteurs eine mathematische, nahezu mathematische oder empirische Funktion.

Bei dem Wandler 10 kann die Funktion sehr nahe an der linearen Funktion-liegend gemacht werden, d. h., daß der Drehwinkel des drehbaren Elements 14 in einer bestimmten Richtung in sehr guter Annäherung direkt proportional ist der Strecke de'r geradlingen Bewegung des linearen Elements 12. Diese Funktion ist bei einem praktischen Ausführungsbeispiel, das sich von dem gezeigten nicht weaent-

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lieh unterscheidet, bei einer Drehbewegung des drehbaren Elements 14 in der Größenordnung von 180 erfüllt.

Das lineare Element 12 des Wandlers 10 besteht aus einer Reihe von Stabmagneten 21, 22 und 23» die Seite an Seite liegend miteinander verbunden sind. Die Form der Magnete hinsichtlich ihrer Pole weicht von der normalen Ausbildung ab. Die Tatsache, daß sie aus Stabmagneten bestehen, ist nur insofern bedeutsam, als sie nicht zylindrisch sind wie im Fall des Magneten, aus dem das drehbare Element 14 besteht. Die Länge jedes Stabmagneten ist beträchtlich geringer als jede seiner seitlichen Abmessungen. Die'Länge ist diejenige Abmessung, die normalerweise bei herkömmlichen Stabrnagneten als solche bezeichnet wird·, nämlich der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Polenden. In diesem !'all jedoch ist die Länge als der Abstand zwischen den oberen -Polflächen 25, 2β und 27 zu ihren jeweiligen, in Fig. 1 nicht sichtbaren unteren Polflächen definiert. Dabei ist angenommen, daß sämtliche Magnete 21-, 22 und 23 die gleiche Länge haben, was bei praktischen Ausführungsbeispielen normalerweise der Fall ist. Die Länge ist die in Fig. 1 für den Magneten 23 gezeigte Abmessung.

Die seitlichen Abmessungen der Magnete 21, 22 bzw. 23 sind als die längeren Abmessungen beispielsweise der Seitenflächen 30 und. 32 des Magneten 21 definiert. Die Polfläche 25 ist damit rechteckig. Ihre Fläche ist wesentlich größer als die Flächen einer der Seitenflächen, beispielsweise 30 und 32. .

Das lineare Element wird durch Verbindung nehrer Stabmagnete Seite an Seite hergestellt. Bei dem Wandler der Fig. 1 sind drei Magnete vorgesehen, bei dem Wandler 10' der Fig. 2 vier Magnete und bei dem Wandler 10" der Fig. 3 zwei Magnete. Die Stabmagnete 2T,"?2 und 23 können mittels eines geeigneten Klebstoffes aneinander ge-

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klebt werden. Sie sind im allgemeinen an .einem Arm des Geräts "befestigt. Wie gezeigt, sind die Magnete so angeordnet, daß die PolaritätenJbenachbarter Magnete einander entgegengesetzt sind, so daß bei einer beliebigen bestimmten Reihe die Polflächen abwechselnde Polarität aufweisen. In Pig. 1 hat das Element 12 auf der Oberseite von links nach rechts die Polaritäten Süd, Nord und Sud. Auf der Unterseite des Elements 12, d. h. auf der zum drehbaren Element 14 weisenden Seite haben die Polflächen von links nach rechts d;L<e Polaritäten Nord, Süd und Kord. Da in praktisch sämtlichen Fällen die Länge sämtlicher Stabmagneten, die"eine Reihe oder ein- lineares Element bilden, die gleiche ist, kann angenommen werden, daß die unteren Polflächen der Magnete 21 , 22 und 23 des linearen Elements 12 eine Ebene bilden, die normalerweise parallel zu dem Arm liegt, der das Element trägt. Die gebildete Ebene liegt in einem Abstar.d von und parallel zu der gleichen Ebene, die durch die untere Fläche des Arms gebildet wird,, an den das Element angeklebt ist. Die Polflächen 25, 26 und 27 sind normalerweise an der unteren Fläche des Arms angeklebt.

Das drehbare Element 14 ist ein zylindrischer Magnet, der jedoch nicht wie die meisten herkömmlichen zylindrischen Magnete, sondern quer über seinen Durchmesser polarisiert ist. Dies ist in Fig. 1 durch die an der sichtbaren Endfläche angeordneten Buchstaben N und S dargestellt, die anzeigen, daß einander gegenüberliegend angeordnete Durchmesserkanten längs der länglichen Länge des Elements 14 einander entgegengesetzt polarisiert sind. Bei der gezeigten Anordnung befindet sich das drehbare Element 14 in der Nähe der Mitte des Elements 12. Seine Achse liegt in einer Ebene, die von der unteren, durch die unteren Polflächen der Magnete 21 , 22 und 25 gebildeten Ebene in einem Abstand und zur Bewegungsrichtung des linearen Elements 12 unter einem rechten Winkel liegt. Die Achse des drehbaren Elements 14 ist ferner die Achse einer Welle 34, an der das, Element 14 normalerweise befestigt ist. Die Welle 34 und der Doppelpfeil 16 liegen unter einem rechten Winkel zueinander.

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In dem zwischen dem Umfang, des drehbaren Elements 14 und der durch die unteren Polflächender Magnete 21 und 22 gebildeten Ebene: liegende Spalt 36 ist so bemessen, daß darin die oben erwähnte Trenneinrichtung untergebracht werden kann. Der Spalt 36 ist proportional wesentlich größer als es bei bekannten Anordnungen bisher möglich war, so daß in den Spalt Trenneinrichtungen eingebracht werden können, die aufgrund ihrer beträchtlichen Stärke extrem hohen Drücken standhalten.

Der Wandler 10 wandelt mechanisch eine im wesentlichen geradlinige Bewegung (Pfeil 16) in eine Drehbewegung (Pfeil 18) um, wobei der Drehwinkel des Elements 14 stark angenähert proportional ist der Länge der geradlinigen Bewegung des Elements 12. Dieser Aufbau ist für viele verschiedene Arten von Messungen, beispielsweise für Flüssigkeits-Pegelmessungen und dergleichen, ideal. -

Da3 lineare, ähnliche oder andersartige Ansprechverhalten wird durch Formung der magnetischen Felder der beiden Elemente 12 und 14 und ihre Besiehung erzeugt. Dies geschieht durch richtige Wahl der Abmessungen, der Feldstärke, des Spalts usw. Während die richtigen Erfordernisse für jeden einzelnen Fall gefunden werden müssen, zeigt die Erfindung den grundsätzlichen Weg, so daß nur geringfügige Versuche im Einzelfall erforderlich sind. Die Verwendung kurzer, Seite an Seite angeordneter Stabmagnete mit im Vergleich zu ihren Seitenflächen verhältnismäßig großen- Po3_flachen, der zylindrische Magnet mit seinen polarisierten seitlichen Kanten und die geometrischen Verhältnisse dieser Elemente bilden die Basis für praktisch jede Anordnung. Ferner ist die Erzielung der Drehbewegung in der Größenordnung von 180° und mehr bei Wandelfunktionen erster und zweiter Ordnung einfach. Die magnetischen Felder der Stabmagnete 21 , 22 und 23 stehen miteinander in Beziehung, was zur Formung des Gesamtfeldes beiträgt.

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Beispielsweise enthält ein linearer Wandler bei Verwendung herkömmlicher magnetischer Materialien drei Magnete, z.,B. die Magnei-e'21, 22 und 23, die Seite an Seite angeordnet sind und deren Gesamtabmessung in Richtung des Pfeils 16 etwa 32 mm (1 I/4 inch) beträgt. Die eine Seitenabmessung im rechten Winkel zum Pfeil 16 beträgt beispielsweise etwa 13 mm (i/2 inch). Die Länge eines Magneten zwischen" den beiden Polen beträgt etwa 3,2 mm (I/8 inch). Die ' Seiienabmessungen der jeweiligen Magnete in Richtung des Pfeils 16 brauchen nicht notwendig gleich zu sein sondern können je nach Wunsch eingestellt werden. Durchmesser und Länge des drehbaren magnetischen Elements \A betragen je etwa 9,6 mm (3/8 inch). Die Breite des Spalts 36 beträgt etwa 5 mm (0,2 inch). Die magnetischen Elemente sind in der gezeigten Weise polarisiert. Die neutrale Stellung für das Element 14 liegt in der ITähe der Mitte des Elements

Die Abmessungen und Proportionen bestimmen, die.Interferenz bzw. gegenseitige Beeinflussung zwischen den magnetischen Feldern und die Form des magnetischen Gesamtfeldes. Diese Form bestimmt das gewünschte Ansprechverhalten. Auf diese Weise kann die Bewegung mit einem Faktor multipliziert oder dividiert werden, ebenso 'der Spalt, der so breit bemessen wird, daß das sich ergebende Gerät praktisch und brauchbar ist. Nach modernen Magnet-Herstellungs- und' Magnetisierungsverfahren können Elemente wie das Element 12 aus einem einzigen Teil mit der gezeigten Polarität hergestellt werden. Das Element 14 kann so polarisiert werden, daß die Pole nicht notwendig diametral einander gegenüberliegen und nicht notwendig die gleiche geometrische Form haben. ·

Fig. 2 zeigt einen Wandler 10' aus Elementen 12' und 14', deren Funktion jeweils im wesentlichen die gleiche ist wie die der Elemente 12 und 14 des Wandlers 10 der Fig. 1. Beim Wandler 10' unterscheiden sich jedoch die Größen der Magnete 21', 22' und 23' etwas von den entsprechenden Teilen der Fig. 1. Die Endmagnete 21' und 23' sind kleiner als der mittlere Magnet 22' und haben damit

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kleinere Polflächen. Sie erzeugen damit eine geringere Interferenz als größere Magnete. Zusätzlich ist ein seitlich schmalerer End-Magnet 24' am rechten Ende (Pig. 2) vorgesehen. Die Magnete des Elements 12' haben von oben nach unten die gleiche länge und sie sind miteinander zusammengebaut. Wird dieses Element 1.2' gerad- . linig in Richtung des Pfeils 16¹ bewegt, so dreht sich das drehbare Element 14' in Richtung des Pfeils 18' um einen Winkel, der proportional der Quadratwurzel' der geradlinigen Bewegung des Elements 12' ist. Diese Art des Geräts eignet sich ideal für Strömungsmessungen, da.die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal eines Strömungswandlers und das Strömungsvolumen oder die Strömungsgeschwinddigkeit im Fall eines typischen Kopf-Strömungsmessers der Quadratwurzel folgt. Die Welle 34' dreht sich gemäß der Quadratwurzel dei" Bewegung in Richtung des Pfeils 16*. Das Element 12' kann aus drei oder fünf Magneten aufgebaut werden. Kriterium ist das Muster oder die Form des magnetischen Feldes, das von der Geometrie und der Magnetstärke abhängig ist. Bei der Reihe aus vier Magneten werden für ein praktisches Ausführungsbeispiel die Proportionen aus dem gleichen Maßstab wie für den Wandler 10 der Fig. 1 abgeleitet. Das zu beschreibende praktisch ausgeführte Meßgerät hat einen magnetischen Aufbau, der genau dem der Fig. 1 gleicht. Es wird jedoch angenommen, daß gegenüber der Bewegung des drehbaren Elements eine der Quadratwurzel entsprechende Abhängigkeit besteht. Wie diese Abhängigkeit erzielt wird, wird im folgenden noch erläutert.

Fig. 3 zeigt eine einfache Ausführungsform eines Wandlers 10", der ein Element 12" enthält, das seinerseits aus nur zwei Magneten 21" und 22" besteht. Arbeitsweise und Aufbau sind die gleichen wie zuvor beschrieben, mit der Ausnahme, daß das Element 12" aus einem einzigen magnetischen Teil besteht und die einzelnen Magnete 21" und 22" lediglich durch Magnetisierung gebildet sind. Somit besteht keine körperliche Verbindung zwischen ihnen, die gestrichelte Linie 28" stellt eine imaginäre Linie dar» Durch richtige Formung des magnetischen Gesamtfeldes kann eine Beziehung

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zwischen der geradlinigen Bewegung, des Elements 1 2" und der Drehbewegung des drehbaren Elements 14" erzielt werden, die stark angenähert einer vorherbestimmten Punktion oder einem empirischen Schema folgt. ' ,

ι-

.Im folgenden wird die Anwendung der Erfindung auf ein Druckmeßgerät anhand eines Beispiels erläutert. Diese Ausführungsform der Erfindung stellt wegen der umfassenden Erfordernisse, die bei einem solchen Gerät erfüllt werden müssen, ein^ausgezeichnetes Beispiel dar. Wie erwähnt, wurden die Abmessungen des in Fig. 1 gezeigten Aufbaus so geändert, daß sein Ansprechverhalten der Quadratwurzel folgt, so daß das Meßgerät einen·Differentialdruck mißt. ■ _t - ' .

Bei dem Meßgerät wird das Differential des Flüiddrucks auf den beiden einander gegenüberliegenden Seiten einer Membran in die Bewegung eines Zeigers umgesetzt, der eine Skala oder Scheibe überstreicht. Die Einrichtung zur Umwandlung der geradlinigen Bewegung der Membran in die Drehbewegung des Zeigers enthält einen magnetischen Aufbau aus einem linearen magnetischen Element mit einer Reihe von Stabmagneten, die Seite an Seite angeordnet und mechanisch so verbunden sind, daß sie durch Bewegungen der Membran verschoben werden und magnetisch mit 'einem drehbaren magnetischen Element gekoppelt sind. Bei Verschiebung des linearen Elements ergibt sich eine Drehung des drehbaren Elements entsprechend einer Quadratwurzelfunktion. Der auf der Welle des drehbaren Elements befestigte Zeiger bewegt sich über eine Skala mit einer gleichmäßigen Einteilung, die auf einem Rahmen befestigt ist, der einen· Teil des Instrumentengehäuses bildet oder in diesem eingeschlossen ist..

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Bei richtiger Konstruktion' der Reihe von Stabmagneten und Einstellung oder Formung ihres kombinierten Feldes gegenüber dem des drehbaren Magneten, folgt die Winkeldrehung des drehbaren Magneten und damit die Schwenkbewegung .des Zeigers proportional der Quadratwurzel der Verschiebung des linearen Elements.. Ebenso können die Bewegungen anderen Funktionen folgen. So kann beispielsweise eine Drehung erreicht werden, die proportional ist der linearen Verschiebung der Magnetreihe. Im letzteren Fall kann das Meßgerät beispielsweise zur Messung eines Flüssigkeitspegels verwendet wer-¹ den, und im ersteren Fall beispielsweise für Strömungsmessungen.

Das Prinzip der Arbeitsweise des Meßgeräts wird anhand Fig. 4 erläutert, die ein kinematisches Diagramm des Meßgeräts zeigt.

Auf der linken Seite der Fig. 4 ist eine Membran 40 gezeigt, die starr an einem Chassis oder Rahmen befestigt ist. Dies ist durch die starren Verbindungen 42 und 44 mit einem symbolischen festen Rahmen 46 dargestellt. Die rechte und linke Seite der Membran 40 liegen zu Fluiden hin frei, deren relativer Druck den mittleren Bereich der Membran 40 zu dem Fluid hin verbiegt, dessen Druck niedriger "ist. Das Meßgerät ist so aufgebaut, daß sich normalerweise das Fluid mit dem niedrigeren Druck in Fig. 1 links befindet, so daß sich die Membran 40, wie durch die Pfeile angedeutet, nach links ausbiegt, wenn sie einem Fluid mit einem höheren Druck ausgesetzt wird, das auf die rechte Seite der Membran einwirkt .

Auf der rechten Seite der Membran 40 ist ein federndes Glied in Form einer 1-förmigen Blattfeder 48 mit einem länglichen Schenkel 50 und einem Arm 52 gezeigt. Der Schenkel 50 liegt praktisch parallel zur Membran. 40. Sein oberes Ende ist an einer Verbindungsstelle 54 starr am Rahmen 56 befestigt. Eine Verbindungsstange 56 ist mit der Mitte der Membran 40 und der Mitte des

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Schenkels 50 verbunden. Diese Verbindungen sind praktisch fest. Die Verbindung 58'mit der Membran 40 wird nicht in seitlicher Richtung bewegt, da sich die Membran nur an ihrer Mitte ausbiegt. Lediglich an der Verbindung*60 erfolgt eine geringfügige Bewegung, da das obere Ende des Schenkels 50 festbleibt, während sich das untere zusammen mit dem Arm 52 bewegt. Die Verbindung 56 weist daher an ihrem rechten Ende zur Aufnahme dieser Bewegung einen flexiblen ^: Teil 57 auf. . ■

Die Biegebewegung der Mitte der Membran 40 wird über die Verbindung 57 auf den mittleren Teil des Schenkels 50 übertragen und übt auf diesen eine Biegekraft aus. Die Biegungsachse befindet · sich im wesentlichen an der Stelle eines einstellbaren Schwenkpunktes 62,· der entsprechend den Pfeilen angehoben oder-abgesenkt werden kann^ Je höher sich der Schwenkpunkt 62 befindet, um so leichter kann der Schenkel 50 verbogen werden. Die Bewegung des Arms 52 kann damit für jede beliebige gegebene Verbiegung der Ilen;· bran 40 eingestellt werden, so daß eine Eichung für verschiedene Druckbereiche möglich ist. , - ,

Durch die Verbiegung der Mitte der Membran 40 nach links (Pfeile) bewegt sich auch das'untere Ende des Sehenkels 50 entsprechend dem unter der Verbindung 60 gezeigten Pfeil nach links.

Auf dem Arm 52 ist eine Reihe 12 aus Stäbmagneten angeordnet, die das lineare Element des Wandlers 10 bilden. Wie in Fig. ist das lineare Element 12 aus drei Magneten 21 , 22 und 23 aufgebaut, die Seite an Seite angeordnet sind. Die Magnete sind so angeordnet, daß sich die in Fig. 4 gezeigten Polaritäten ergeben, wobei die genaue Form und Anordnung genauer anhand Fig. 1 erläutert wurden. Bei dem praktischen Aufbau sind diese drei Magnete 21 ,. 22 und 23 am Arm 52 befestigt. Im Betrieb des Meßgeräts wird das lineare Element 12 im wesentlichen, geradlinig mit dem Arm 52 verschoben. Damit bewegt sich unter den oben erläuterten Umständen das lineare Element 12 mit der Mitte der Membran 40 nach links.

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Ein in der gezeigten Weise polarisiertes, drehbares Element 14 ist auf einer Welle 34 befestigt, die gegenüber dem linearen Element 12 fest gelagert ist. Das magnetische Feld des drehbaren-Elements 14 ist mit dem magnetischen Überlagerungsfeld der Reihe von Magneten des linearen Elements 12 gekoppelt. Durch die miteinander gekoppelten Felder der Magnete werden auf diese magnetische Kräfte ausgeübt, die die Anordnung in ein ausgeglichenes Gesamtfeld zu bringen suchen. In solch einem ausgeglichenen Feld werden auf die Magnete praktisch keine Kräfte ausgeübt, die dieselben bewegen könnten. Besteht bei einem Differenzdruck Full auf den beiden einander gegenüberliegenden Seiten der Membran 40 zunächst ein Gleichgewicht, so werden die Bauteile des Meßgeräts so eingestellt, daß der an der Welle 34 befestigte Zeiger auf die ITullstellung einer geeigneten Scheibe zur Ablesung des Drucks oder einer anderen Größe gerichtet ist. Wird auf die Membran 40 in Richtung der Pfeile der Fig. 4 ein Druck ausgeübt, so bewegt sich das lineare Element 12 nach links und, um den Zustand des Gleichgewichte des magnetischen Feldes aufrechtzuerhalten, das drehbare Element 14 entsprechend dem gebogenen Pfeil in Fig. 4 im Gegenuhrzeigersinn. Die Drehung dauert fort, bis auf., das drehbare Element 14 keine magnetischen Kräfte mehr einwirken und die gekoppelten magnetischen Felder der magnetischen Reihe des linearelements 12 und des zylindrischen Magneten des drehbaren Elements 14 miteinander im Gleichgewicht liegen. Der Zeiger 66 schwenkt in der gleichen Richtung und um den gleichen Winkel wie·das drehbare Element 14·

Die Achse des drehbaren Elements 14 und die Welle 34, auf der dasselbe befestigt ist, befinden sich in einem Abstand von der durch die unteren Polflächen der Reihe von Magneten 21 , 22 und 23 gebildeten Fläche (in Fig. 4 ebenso wie in Fig. 1). Diese Ebene ist die Oberfläche Vjedes Magneten, die gemäß Fig. 1 und 4 nach unten gerichtet ist. Die oberen Polflächen 25, 26 und 27 (Fig. 1) sind an die untere Fläche des Arms 52 geklebt. Zwischen dem linearen Element 12 und dem drehbaren Element 14 befindet sich ein Spalt 36.

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Das Meßgerät dient zur Messung von Pllissigkeitspegeln, Durchflußgeschwindigkeiten oder -mengen und ähnlichen Eigenschaften von Fluiden. .Abgesehen davon, daß Fluide viskos sein und suspendierte Materialien nachteiliger Art enthalten kb'nnen, ist es nicht zweckmäßig, die beweglichen Meßteile, so die Welle "36 und ihre Aufhängung, Flüssigkeiten auszusetzen. Auch der drehbare Magnet 14 und der Zeiger 66 werden zweckmäßig erweise nicht in Flüssigkeiten eingetaucht. Um die beweglichen Teile des Meßgeräts trocken zu halten, ist^eine nichtmagnetische Trennwand 68 im Spalt 36. zwischen dem drehbaren Element 14 und dem linearen Element 12 vorgesehen. Die Trennwand 68 verhindert, daß Fluid von den beiden Seiten der Membran 40 in den Teil des Meßgeräts eindringt, der das drehbare Element 14» den Zeiger 66, die Welle 34, die Aufhängung der Welle usw. enthält. Damit wird auch der von den Fluiden ausgeübte Druck zurückgehalten. Die Trennwand 68 kann daher als Druckschranke bezeichnet werden. Ihre Stärke und damit ihre Druckbeständigkeit wird durch die Breite des Spalts 36 "bestimmt. '

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß mittels^ des erfindungsgemäßen mechanischen Wandlers eine in einem Fluid entstehende mechanische Bewegung äußerst wirksam auf ein außerhalb des Fluids liegendes Element übertragen wird. Dies geschieht mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, weil die magnetischen Kraftlinien frei durch die nichtmagnetische Druck-Trennwand 68 hindurchtreten, so daß eine mechanische Verbindung zwischen den nassen und trockenen Teilen des Meßgeräts überflüssig wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher besonders vorteilhaft bei einem Meßgerät zur Messung des Differentialdrucks in einem Fluid auf einander gegenüberliegenden Seiten eines beweglichen, druckempfindlichen Teils wie einer Membran. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt.

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Viele verschiedene Bewegungsarten, die durch physikalische Erscheinungen erzeugt werden, können erfindungsgemäß in die Drehung eines Zeigers umgesetzt werden. Ein solches Gerät muß nicht unbedingt eine Trennwand oder dergleichen wie beispielsweise die Druck— trennwand 68 enthalten. Mit erfindungsgemäß aufgebauten Meßgeräten können Temperaturänderungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Belichtungsstärken usw. gemessenvsrden. Bei Bedingungen, bei denen die Vorteile der Erfindung bei Verwendung von normalerweise für den jeweiligen Zweck benutzten Meßgeräten nicht eintreten, ergibt sich der anwendbare Aufbau aus den vorstehenden Ausführungen.

Ansprüche

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Claims

A ff S P R Ü CHB ■"· ' DA/G-1O662

.J Mech.anisch.er Wandler zur Umwandlung einer im wesentlichen geradlinigen Bewegung in eine Drehbewegung, wobei das Verhältnis zwischen den Bewegungen einer vorherbestimmten Punktion folgt, mit einem linearen, im wesentlichen geradlinig· beweglichen Element und einem drehbaren Element, das sich bei einer linearen Bewegung des linearen Elements dreht, dadurch gekennzeichnet , daß das -lineare Element (12, 12^l>, 12") aus wenigstens zwei aufeinander ausgerichteten Stabiaagneten (21, 22, 23; 21 > _t 22', 23¹J 21", 22%)' besteht, die in der Bewegungsrichtung des linearen Elements Seite an Seite angeordnet sind, daß jeder Magnet eine koplanare Polarfläche (25, 26, 27) aufweist, die eine zu der Richtung parallele Ebene bilden, daß aneinander.angrenzend angeordnete .Magnete in der Ebene abwechselnde Polarität haben, daß die Länge zwischen d.en Polflächen der Magnete wesentlich kürzer ist als wenigstens ihre seitliche Abmessung in der Bewegungsrichtung, daß das drehbare Element (14, 14% 14") aus einem insgesamt zylindrisehen, seitlich polarisierten Magneten besteht, daß eine Befestigung (Vieile 34, 34^l) für das drehbare Element vorgesehen ist, deren Achse insgesamt unter einem rechten Winkel zu der Bewegungsrichtung liegt und von d er Ebene in einem Abstand angeordnet ist, der ausreicht,. zwischen der Umfangsflache des zylindri-

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sehen Magneten und der Ebene einen Spalt (36) zu bilden, und daß mit dem zylindrischen Magneten eine Folgeeinrichtung (66) verbunden ist, die entsprechend dem Drehwinkel des zylindrischen Magneten beweglich ist. ■
2. Mechanischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stahmagnete (21, 22, 23) untereinander und zum zylindrischen ,Magneten (14) so bemessen sind, daß die vorherbestimmte Punktion linear ist.
3. Mechanischer Wandler nach Anspruch 1 , dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Stabmagnete (21, 22, 23) untereinander und zum zylindrischen Magneten (14) so bemessen sind, daß die· vorherbestimmte Funktion nicht linear ist«
4. Mechanischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stabmagnete (21 , 22, 23) untereinander und zum zylindrischen Magneten (14) so bemessen sind, daS die

vorherbestimmte Funktion im wesentlichen eine Quadratwurzel ist.
5. Mechanischer Wandler nach, einem der Ansprüche 1 Ms 4, dadurch gekennzeichnet , daß die PoIflachen (25, 26, 27) jedes Stabmagneten rechtwinklig sind und größere Flächen aufweisen als ihre Seiten.

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6. "* Mechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 IdIs 5, dadurch gekennzeichnet , daß das lineare EIemeiit (12) einteilig ist und die Stabmagnete aus polarisierten Bereichen des einteiligen Elements bestehen.
7. Mechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis -§, dadurch gekennz eichnet, daß die Befestigungseinrichtung aus einer Welle (34) besteht, die koaxial zum zylindrischen Magneten (H, 14', 14") angeordnet ist, und daß die Polgeeinrichtung aus,einem Zeiger (66) besteht, der mit der Welle verbunden ist und von dieser angetrieben.4d.rd.

Cf .
8. Mechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß im Spalt (36) eine Trenneinrichtung (68) vorgesehen ist.
9. Mechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennz eichnet durch einen mit einem Rahmen (46) verbundenen schwenkbaren Arm (52), der in der Bewegungsrichtung beweglich ist und an dem das lineare Element (12) .-' mit diesem beweglich ist und wobei die Befestigungseinrichtung eine Welle (34) enthält, die koaxial zum zylindrischen Magneten (14) angeordnet und am Rahmen gelagert ist.

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10. Mechanischer Y/andler nach Anspruch 9» dadurch g e k e η ii zeichnet , daß der Rahmen (4-6) eine zwei Kanraern "bildende Anordnung enthält, daß das lineare Element (12) in der einen und das drehbare Element (14) in der anderen Kammer angeordnet ist, und daß zwischen den Kammern eine nichtmagneti- . sehe Trenneinrichtung (68) vorgesehen ist.
11. Mechanischer Wandler nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Welle (34) entsprechend dem Drehwinkel beweglich und die Folgeeinrichtung (66) mit der Welle verbunden ist, und daß auf dem Rahmen (46) Zeichen vorgesehen sind, die zusammen mit der Folgeeinrichtung (6 6) ein zur geradlinigen Bewegung in Beziehung stehendes Maß bilden. '
12. Mechanischer V/andler nach Anspruch 9 oder 10, gekenn zeichnet durch ein längliches flexibles Teil (48), dessen eines Ende am Rahmen (46) befestigt und dessen anderes Ende frei ist, daß der Arm (52) am freien Ende des flexiblen Teils befestigt ist, und daß das flexible Teil an einer Stelle zwischen seinen beiden Enden eine Verbindungseinrichtung (5o, 57)- aufweist, über die auf dasselbe eine äußere Kraft ausgeübt werden kann.

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13. Mechanischer Wandler nach Anspruch 12, gekenn-''zeichnet durch eine zwischen der- Stelle und dem festen Ende angeordnete Einstelleinrichtung (62) zur Einstellung der wirksamen Flexibilität des Teils und zur Änderung der zur Urzeugung eines bestimmten Moments auf den Arm erfordern.-^ chen Kraft. λ
14. Mechanischer Wandler nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein auf einen Druck ansprechendes Teil (40), das insgesamt parallel-zu dem Teil (48) aufgehängt ist« und durch ein federndes Teil zur Aufbringung eines unbekannten Drucks auf das auf den Druck ansprechende Teil, wobei die Yerbindungseinrichtung (56, 57) mit dem auf den Druck ansprechenden Teil verbunden ist, so daß die Bewegung von dem auf den Druck ansprechenden Toil auf das erste Teil übertragen wird»
15. Mechanisicher Wandler nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindungseinrichtung zur Kompensation von Seitenkräften während des Schwen> kens des ersten Teils wenigstens teilweise flexibel ist.
16. Mechanischer-Wandler nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch g'eken' η zeichnet , daß das auf den Druck ansprechende Teil aus einer Membran (40) besteht und die ■Verbindungseinrichtung (56, 57) mit deren Mitte verbunden ist.

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17· Mechanischer Wandler zur Umwandlung einer im wesentlichen geradlinigen Bewegung in eine Drehbewegung, mit einem Rahmen, mit auf dem Rahmen befestigten Einrichtungen, und mit einem aul' äußere Vorgänge ansprechenden Teil, das auf dem Rahmen befestigt und geradlinig "beweglich ist und dessen lange eine Punktion der auf dasselbe aufgebrachten Kraft ist, g e k e η η zeichnet durch eine kinematische Verbindung und magnetische Kopplung, die folgende -Bestandteile enthalten: einen auf dem Rahmen aufgehängten Arm (52), eine Verbindungseinrientung (56, 57), die das auf die Kraft ansprechende Teil (40) und den Arm verbindet und die Bewegung auf den Arm überträgt, wobei fixe Bewegung des Arms auf eine im wesentlichen geradlinige Bewegung beschränkt und auf eine bestimmte Bewegungsstrecke begrenzt ist, mehrere verhältnismäßig kurze oüabmagnete (2-1 , 22, 23; 21', 22'.. 23'» 21", 22!') mit insgesamt rechteckigem Querschnitt, die Seite an Seite an dem Arm befestigt sind und deren Polflächen von dem Arm (52) · wegweisen und eine von dem Arm (52) um die Länge zwi- . sehen den einander gegenüberliegend angeordneten Polflächen entfernte Ebene bilden, wobei die Ebene parallel zu deia Arm (52) liegt und die Magnete auf die Bewegungsrichtung dos Arms ausgerichtet sind und in der Ebene abwechselnde Polarität aufweisen, so daß sich ein zusammengesetztes magnetisches Feld in der Ebene ergibt, einen zylindrischen Magneten (14, 14', 14")» dessen axiale Länge und Durchmesser wesentlich kleiner sind als die mittlere Querabmessung der Stabaagnete und der auf einer auf dem Rahmen (46) gelagerten Welle befestigt ist, über

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einen Durchmesser zwei einander entgegengesetzte Pole aufweist und von der Ebene in einem Abstand angeordnet ist, so daß sich ein Spalt (36) bildet, und wobei die Achse des zylindrischen Magneten senkrecht zur Bewegungsrichtung des Arms liegt, und einen an der Welle befestigten und mit dieser drehbaren Zeiger (66)." . ·"'
18. Mechanischer Wandler nach Anspruch 17, dadurch g e k e η η zeichne, t , daß zwei Stabmagnete (21", 22") vorgesehen sind.
19· Mechanischer Wandler nach Anspruch 17, dadurch g e k e η η ■ zeichnet , daß drei S-L&biuägnete (21, 22, 23; 21', 22% · 23') vorgesehen sind.
20. Mechanischer Wandler na'ch Anspruch 19» dadurch g e k e η η ζ e i'c h η e .t , daß die Magnete (21 , 22., 23) annähernd die gleiche Größe aufweisen, und daß das Verhältnis zwischen der linearen Bewegung des Arms (52) und der Winkelbewegung der Welle (34) über den größten Teil des Bewegungsbereichs des Arms (52) proportional ist.
21. Mechanischer Wandler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Magnete (21 * _f 22', 23') unterschiedliche Größe aufweisen und das Verhältnis zwischen der linearen . Bewegung des Arr.s (52) und der Winkelbewegung der Welle (34) eine vorherbestimmte nichtlineare Punktion ist.

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22. Mechanischer Wandler nach Anspruch 21, dadurch g e k e η η

zeichnet , daß die Funktion eine Quadratvmrzelfunktion ist.

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