DE2328354C2 - Wandler zur Umwandlung einer translatorischen Bewegung in eine Drehbewegung - Google Patents
Wandler zur Umwandlung einer translatorischen Bewegung in eine DrehbewegungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wandler zur Umwandlung einer translatorischcn Bewegung in eine
Drehbewegung, mit einem ersten um eine Achse drehbar gelagerten Bcwegungsclcment mit einer Anzahl
von an seinem Umfang im gleichen Radialabsland von der Achse angeordneten pcrmanenlmagnetischen Magnetpolen
alternierender Polarität und mit einem zweiten Bewcgungselemenl mit einer Anzahl von in ■-•incr
quer zur Richtung der Achse verlaufenden Reiihi: dicht
aneinander anschließend angeordneter pcrmanciiimagnctischer
Magnetpole alternierender Polarität, deren Polflächcn in einer gemeinsamen, in Bewegungsrichtung
verlaufenden Fläche liegen und miteinander in einer quer zur Richtung der Achse verlaufenden Bewegungsrichtung
bewegbar sind, wobei zwischen den einander zugewandten Bereichen des ersten und des zweiten
Bewegungselcments ein Abstand besteht.
Aus der DE-AS 10 21 461 sind Wandler der eingangs
genannten Art bekannt. Bei diesen bekannten Wandler ist ein erstes, um eine Achse drehbar gelagertes Elcwegungselement
mit einer großen Anzahl von an seinem Umfang im gleichen Radialabstand von der Achse ungeordneten
permanentmagnetischen Magnetpolen alternierender Polarität verschen. Ein damit in Wirkungs/.usammenhang
angeordnetes /.weites ßcwegungselcment
ist als Träger einer An/.-Jil von in einer quer zur Achserstreckung
des ersten Bewcgungsclcmcnts verlaufenden Reihe dicht aneinander anschließend angeordneten pcrmancntmagnctischcn
Magnetpolen alternierender Polarität ausgebildet, beispielsweise als an seinem Umfang
mit Permanentmagneten alternierender Polarität besetztes, um eine parallel zur Achse des ersten Bcwcgungselcnients
verlaufende Achse drehbares Rad ausgebildet. Hei diesem bekannten Wandler entsprechen
die auf den beiden Bewegungselementen angeordneten Magnetpole hinsichtlich ihrer zum jeweils anderen KIement
hingewandten Fläche und hinsichtlich ihrer Frstreckung in Bewegungsrichtung einander. Fs wirkt somit
im wesentlichen immer ein Magnetpol des einen Bewegungsclements mit einem (entgegengesetzt polarisierlen)
Magnetpol des anderen Bcwcgungselerncnis
zusammen. Bei einer Drehung des /weiten ßev.Cj>j;igs
elements wird über das Zusammenwirken der sieh gegenüberliegenden Magnetpole der beiden Bcwcgungsclementc
durch die Magnetkraft ein Drehmoment auf das erste Bewegtingselemetii übertragen, so daß dieses
ebenfalls um seine Achse gedreht wird. Dabei wirken die sieh jeweils gegenüberstehenden Magnetpole der
leiden Bewegungselementen wie ineinandergreifende Zähne eines /ahnradpaares zusammen. Bei dem bckannten
Wandler ist somit ein direkter Pol-zu-Pol-Schluli
zwischen den jeweils zusammenwirkenden Polen der beiden Bcwegungsclcnicntc ähnlieh einem
Krnftschluß von Zähnen von Zahnrädern gegeben, so daß bei Bewegung des zweiten Bcwcgungsclcmciiis um
eine der Frstreckung eines Magnetpols in Bewegungsrichtung entsprechende Strecke auch das erste Ik-wcgungselemenl
um eine entsprechend große Strecke (am
Außcmimfangclcs ersten Bewegungsclemcnis) verdreht
wird. Hei dem bekannten Wandler isl somit iiusscliliL'LS-lieh
eine I : I-Übertragung der Bewegung von einem Bewcgungselemenl zum anderen möglich. Bei ilcin bekannten
Wandler isl der Abstand der Außenflächen der /.usainmenwii'keiulcM Pole der beiden Uewcgungsclcmenlc
im Wirkungsbereich sehr gering, inn einen ilirck-Ich
l'ol-zii-l'ol-Schluü zu gewährleisten. Fine Anordnung
von irgendwelchen Teilen /wischen den llevvc
gtingselcmenlen isl weder vorgesehen noch auch nur
t noch möglich
Aus der US-PS 25 64 b7b ist ein Flüssigkeilsspiegel-Anzeigegerät
bekannt, bei dem die Auf- und Abbewegung eines auf der Flüssigkeitsoberfläche schwimmenden
Schwimmers zur Anzeige des Flüssigkcilsstandes herangezogen wird. Bei einem Ausführiingsbeispicl isl 5
der Schwimmer so geführt, daß er bei einer Auf- oder Abbcwcgung eine vom Ma.ß dieser Bewegung abhängige
Drehbewegung ausführt. Diese Drehbewegung des Schwimmers wird auf eine Magnetscheibe übertragen,
die an diametral gegenüberliegenden Bereichen entgegcngcselzl
polarisiert ist. In Wirkverbindung mit dieser Magnetscheibe ist eine zweite drehbar gelagerte Magnetscheibe
vorgesehen, deren Achse mit der Achse der ersten Magnetscheibe entweder fluchtet oder senkrecht
mit dieser jedoch in der gleichen Ebene verläuft oder jede beliebige Zwischenstelle in der gemeinsamen Ebene
einnimmt. Wesentlich ist, daß die ebenfalls an diametral gegenüberliegenden Bereichen des Umfangs entgegengesetzt
polarisierte zweite Magnetscheibe sich zur ersten Magnetscheibe so einstellt, daü im Bereich der
geringsten Entfernung der Umfange der beiden Magnelschciben
entgegengesetzt polarisierte Bereiche der Umfange der beiden Scheiben, bewirkt durch die magnetische
Anziehungskraft, zu liegen kommen. Bei einer Verdrehung der ersten Magnetscheibe durch den
Schwimmer wird dann über den Magnetfluß auch die zweite Magnetscheibe in Drehung versetzt. Mit der
Achse dieser zweiten Scheibe kann ein Zeiger verbunden sein, der dann über einer Skala verdreht wird, die
den Flüssigkeitsbestand oder Füllstand anzeigen kann, jo
Bei diesem bekannten Gerät ist wiederum ein direkter Pol-zu-Pol-Schluß der zusammenwirkenden Magnetscheiben
gegeben, so daß auch hier die Bewegungsübertragung ausschließlich in Form einer linearen Umsetzung
erfolgt. Bei einem anderen aus der US-PS 25 b4 b7b hervorgehenden Ausführungsbeispiel des bekannten
Geräts isl der auf dem Flüssigkeitsspiegel schwimmende Schwimmer mit einer Stange mit einem
in Bewegungsrichtung der Stange ausgerichteten Stabmagneten
gekoppelt, dessen beiden Enden enigegengesetzt polarisiert sind. Der Stabmagnct wird bei einer
Auf- und Abbcwcgung des Schwimmers auf einem tangential /um Umfang einer drehbar gelagerten Magnetscheibe,
jedoch im radialen Abstand von dieser verlaufenden Wc« geführ!. Die Magnetscheibe ist ebenso wie
im ersten Ausführungsbeispiel mit an diametral gegenüberliegenden Bereichen des I Inifangs cntgegcngeset/i
polarisiert. Durch die magnetische Anziehungskraft stellt sich die Magnetscheibe zu dem Magnetslab so ein.
daß ein polarisierter Bereich der Magnetscheibe mögliehst nahe am entgegengesetzt polarisierten Ende des
.Stabes .*u liegen kommt. Bei einer Längsbewegung des
Stabes folgt der eine polarisierte Bereich der Scheibe dem entgcgcnge.sei/l polarisierten Ende des Stabes, so
daß die Magnetscheibe in eine Drehbewegung versetzt wird. Auch hier ist wiederum ein direkter Pol-zu-Pol-Schluß
/wischen den Polen des Magnetstabes und dem polarisierten Bereich der Magnetscheibe gegeben und
damil auch die Gesetzmäßigkeit der Bewcgungsumsct-/UMg
unbeeinfluUbar durch das synchrone Vorbeiführen wi zugeordneter Pole bestimmt.
Mu den bekannten, magnetischen BewcgungscleiiicMlc
aufweisenden Wandlern isl es nicht möglich, die Umwandlung der Bewegung des einen Bewegungseleiiienls
in eine Bewegung des anderen Uewegungsele- M
mems so /u bewerksleliy.cn. daß sie nach einer vorlierhcsiimmbarcM
Beziehung erfolgi und nicht durch einen Pul/ii-Pol-SchliiU und die dadurch gegebene liewegungssynchronität
festgelegt ist. Bei den bekannten Wandlern müssen Anzeigeskalen besonders geeicht
werden.
Der F.rfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler der eingangs erläuterten Art zu schaffen, der
bei einfachem Aufbau eine Umwandlung der Bewegung des translaiorisch bewegten Bewegungselements in eine
Drehbewegung des zweiten Bewegungselements nach einer vorbesiimmbarert Beziehung ermöglicht, bei
der somit die Bewegung des drehbaren Bewegungselements eine wählbare Funktion der Bewegung des translatorischen
Bewegungselements isl, und der insbesondere zur Übertragung von Bewegungen zwischen zwei
durch eine Wand getrennten Bereichen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste Bewegungselement ausschließlich zwei
diametral gegenüberliegend angeordnete Magnetpole entgegengesetzter Polarität aufweist, und daß die Anzahl
der Magnetpole des zweiten Bewegungselements, die individuelle Erstreckung der Mp~:<.etpole in Bewegungsrichtung,
und die Poifiächcngrooe so bemessen
sind, daß sich eine Beziehung der Bewegung des zweiten Bewegungselements zu der Bewegung des ersten Bewegungselements
entsprechend einer gewünschten Funktion ergibt.
Der erfindungsgemäße Wandler hat gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile. Bei dem erfindungsgemäßen
Wandler wirkt im wesentlichen nur ein Pol eines Paares von diametral an einem drehbar gelagerten
Bewegungselement angeordneten Polen mit einer Reihe von Magnetpolen, die auf einem translatorisch
bewegbaren Bewegungselement angeordnet sind, zusammen. Dabei ist die Anzahl von Magnetpolen auf
dem translatorisch bewegbaren Bewegungselement und ihre individuelle Erstreckung in Bewegungsrichtung und
ihre jeweilige Polflächengröße so bemessen, daß eine im jeweiligen Fall gewünschte spezielle Übertragungsfunktion
für die Übertragung der translatorischiin Bewegung
des zweiten Bewegungselements in eine Drchbewegung des ersten Bewcgungselements gegeben ist.
Rii eine von der Drehbewegung des ersten Bewegungselcments
abzuleitende Anzeige, beispielsweise Drehzeiger-Anzcigc. sind damit spezielle Skalenaufteilungen
und/oder spezielle Hervorhebungen bestimmter MeB-bereichc
und/oder eine gleichmäßige Skalenaufteilung über den gesamten Meßbereich ohne weiteres möglich.
Bei dem erfindungsgemäßen Wandler kann der Abstand /wischen dem translatorischen Bewegungselement und
dem drehbaren Bewegungselement so groß bemessen werden, daß. falls gewünscht oder erforderlich, eine
Trennwand zwischen diesen Elementen angeordnet werden kann, die stark genug ist. um Druckkräften zu
widciatthen. Der erfindungsgemäße Wandler ist daher
besonders für die Übertragung einer in einem abgeschlossenen Bereich stattfindenden translatorschen Bewegung
in eine rotatorische Bewegung in einem durch eine Wand getrennten Bereich geeignet, und damit beispielsweise
zur Anzeige von in Druckbehältern oder Strömungskanälen aufgenommenen Meßwerten süßerhalb
dieser Meßbereiche, ohne daß eine aufwendige Abdichtung erfordernde Durchbrüche durch die Trennwand
vorgesehen werden müßten. Der erfindungsgemäße Wandler ist somit bei einfachem Aufbau für die
Anwendung in vielen Anwendungsbereichen geeignet, und /war sowohl was den jeweiligen zu erfassenden
Meßbereich von physikalischen Daten, als auch was die Erfassung von Daten in von außen schwer zugänglichen
Räumen betrifft, geeignet. Der erfindungsgemiiße
Wandler ist besonders vorteilhaft bei Fluid-Druckmcßgeräten
anwendbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wandlers ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden werden Ausführungsbcispiclc des erfindungsgemäßen
Wandlers in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigt
Fig. I eine schematischc perspektivische Ansicht eines
ersten Ausführungsbcispiels eines crfindungsgcmä-I3en Wandlers, bei dem der Drehwinkel des drehbaren
Bewegungselemcnts eine lineare Funktion der Bewegung
eines geradlinig bewegten Bewcgungselements ist.
Fig. 2 ein /weites Ausführungsbeispicl des erfindungsgemäßen
Wandlers, bei der der Drchwinkel des drehbaren Bewcgungselements eine Quadratwurzclfunktion
oder eine ähnliche Funktion der linearen Bewegung des translatorischen Bewegungselements ist.
F i g. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Wandlers, bei der die funktionell Beziehung zwischen den Bewegungen der Bewegungselementc linear
sein kann, und
F i g. 4 eine schematischc Darstellung der Kinematik
eines Druckmeßgeräts, das einen crfindungsgcmälien Wandler entsprechend einem der Ausführungsbeispicle
gemäß den F i g. 1 bis J enthält.
Fig. 1 zeigt schematisch die magnetischen Hauptbestandteile
eines Wandlers oder Bewcgungsüberlragcrs 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« (lineares Bewegungselemcni) und der +ylindrische Magnet
14 als »drehbares Element« (drehbares Bewegungselement) 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. hdaß
der Drehwinkel des drehbaren Elements 14 in einer bestimmten Richtung in sehr guter Annäherung direkt
proportional ist der Strecke der geradlinigen Bewegung des linearen Elements 12. Diese Funktion ist bei einem
praktischen Ausführungsbeispiel, das sich von dem gezeigten nicht wesentlich 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 besieht. Die Länge jedes Stabmagneten
ist beträchtlich geringer als jede seiner seitlichen Abmessungen. Die Länge ist diejenige Abmessung, die
normalerweise bei herkömmlichen Siabmagnctcn als solche bezeichnet wird, nämlich der Abstand zwischen
den einander gegenüberliegenden Polcndcn. In diesem
!•'all jedoch ist die Länge als eier Abstand /wischen den
oberen Polflächeii 25, 2b und 27 zu ihren jeweiligen, m
l'i g. I nicht sichtbaren linieren Polflächen definiert. Da-ί
bei sei angenommen, daß sämtliche Magnete 21, 22 und
23 die gleiche Länge haben, was bei praktischer. Aiisfuhrungsbeispielen
normalerweise der Fall ist. Die Lange isl die in Fig. I für den Magneten 2.3 gezeigte Abmessung.
It) Die seitlichen Abmessungen der Magnete 21, 22 b/w.
23 sind als die längeren Abmessungen beispielsweise der Seilenflächcn 30 und 32 des Magneten 21 definiert.
Die Polfläche 25 ist damit rechteckig. Ihre Fläche ist
wesentlich größer als die Flächen einer der Seiienflä
r> chen. beispielsweise 30 und 32.
Das lineare Element wird durch Verbindung meine rer Stabmagnete Seile an Seite hergestellt. Hei dem
Wandler der ί· i g. I sind drei Magnete vorgesehen, hei
dem Wandler 10' der F ι g. 2 vier Magnete und bei dem
Wandler 10" der F i g. 3 zwei Magnete. Die Stabmagnete 21, 22 und 23 können mittels eines geeigneten Kleb
Muffes aneinander geklebt werden. Sie sind im allgemeinen an einem Arm des Geräts befestigt. Wie gezeigt,
sind die Magnete so angeordnet, dal! die Polaritäten 2ri benachbarter Magnete einander entgegengesetzt sind,
so daß bei einer beliebigen bestimmten Reihe die Polflächen abwechselnde Polarität aufweisen. In Fig. I hai
das Element 12 auf der Oberseite von links nach rechts die Polaritäten Süd. Nord und Süd. Auf der Unterseite
H) des Elements 12. ti. h. auf der zum drehbaren Element 14
weisenden Seite haben die Polflächen von links nach rechts die Polaritäten Nord. Süd und Nord. Da in praktisch
sämtlichen Fällen die Länge sämtlicher Siabiuagnelen.
die eine Reihe oder ein lineares Element bilden, j'i die gleiche ist. kann angenommen werden, daß die unteren
roinächcn der Mug η eic- 2i, 22 und 23 des !i;;c;;re;;
Elements 12 eine Ebene bilden, die normalerweise parallel
zudem Arm liegt, der das Element trägt. Die gebildete
Ebene liegt in einem Abstand von und parallel zu •ίο der gleichen Ebene, die durch die unlere 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 isl ein zylindrischer Magnct,
der jedoch nicht wie die meisten herkömmlichen zylindrischen Magnete, sondern quer über seinen
Durchmesser polarisier! ist. Dies ist in F i g. 1 durch die an der sichtbaren Endfläche angeordneten Buchstaben
Λ/und 5dargestellt. Bei der gezeigten Anordnung bef·--
w dct 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 23 gebildeten Ebene in einem Abstand und zur Bewegungsrichtung des linearen Elements 12
'.5 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 Winke! zueinander.
ho Der Spalt 36 zwischen dem drehbaren Element 14 und den unteren Polflächen der Magnete 21 und 22 isl
so bemessen, daß darin die oben erwähnte Trenneinrichtung untergebracht werden kann. Der Spalt 36 ist
wesentlich größer ais bei bekannten Anordnungen, so b5 daß in den Spalt Trenneinrichtungen eingebracht werden
können, die aufgrund ihrer beträchtlichen Stärke extrem hohen Drücken standhalten.
Der Wandler 10 wandell mechanisch eine im wesent-
lichen geradlinige Bewegung (Pfeil 16) in eine Drehbewegung
(Pfeil 18) um. wobei der Drehwinkel des Klemenls 14 stark angenähert proportional ist der Länge
der geradlinigen Bewegung des Elements 12 Dieser
Aufbau ist für viele verschiedene Arten von Messungen. r,
beispielsweise für Ilüssigkeiis-Pegelinessungen und
dcrgkv.'ten, ideal.
Das lineare, ähnliche oder andersartige Ansprechverhalten
wird durch Formung der magnetischen l'elder der beiden Elemente 12 und 14 und ihre Beziehung er- n>
zeugt. Dies geschieht durch richtige Wahl der Abmessungen, der Feldstärke, des Spalts usw. Während die
richtigen Erfordernisse für jeden einzelnen Full gefunden weiden müssen, zeigt die Erfindung den grundsätzlichen
Weg, so daß nur geringfügige Versuche im Ein- ι·>
/.elfall erforderlich sind. Die Verwendung kurzer, Seite
an Seile angeordneter Slabniagnete mit im Vergleich zu
ihrrn Kj-iifnfliichen verhältnisinäUii! großen Polflächen,
der zylindrische Magnet mit seinen Polen auf der Mantelfläche und die geometrischen Verhältnisse dieser EIe- iu
meine bilden die Basis für praktisch jede Anordnung. Ferner ist die Erzielung der Drehbewegung in der Größenordnung
von 180' und mehr bei Wandelfunkiionen
erster und zweiter Ordnung einfach. Die magnetischen l'elder der Stabmagnete 21, 22 und 23 stehen mileinan- 2r>
der in Beziehung, was zur Formung des Gesamtfcldes beiträgt.
Beispielsweise enthält ein linearer Wandler bei Verwendung herkömmlicher magnetischer Materialien drei
Magr .'te. z. B. die Magnete 21, 22 und 23. die Seile an jo
Seite angeordnet sind und deren Gesanitabmessung in Richtung des Pfeils 16 elwa 12 mm (1'Λ inch) beträgt.
Die eine Sciienabmessung im rechten Winkel zum Pfeil
Ib betrügt, beispielsweise etwa 13mm ('/..inch). Die
Länge eines Magneten zwischen den beiden Polen be- J5
irägt elwa 3.2 mm ('/M inch). Die Seitenabinessiingen der
jeweiligen Magnete in Richtung des Pfeih 16 brauchen
nicht notwendig gleich zu sein sondern können je nach Wunsch eingestellt werden. Durchmesser und l.äingc
des drehbaren magnetischen Elements 14 betragen je -to
elwa S.6 mm ('/„ inch). Die Breite des Spalls 36 beträgt
elwa 5 mm (0.2 inch). Die magnetischen Elemente sind
in der geeigneten Weise polarisiert. Die neutrale Stellung für das Element 14 liegt in der Nähe der Mille des
Elements 12.
Die Abmessungen und Proportionen bestimmen die Interferenz bzw. gegenseitige Beeinflussung zwischen
den magnetischen Feldern und die Form des magnetischen Gesamtfcldes. Diese Form bestimmt das gewünschte
Ansprcchverhallen. Auf diese Weise kann die w 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 Magnei-Ilersicllungs- und Magnetisierungsverfahren
können Elemente wie das Element y> 12 aus einem einzigen Teil mil der gezeigten Polarität
hcrgestelli werden.
F i g. 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 w>
F i g. L Beim Wandler 10' unierscheiden sich jedoch die
Größen der Magnete 2Γ, 22' und 23' etwas von den einsprechenden Teilen der Fig. I. Die Endmagnete 21'
und 23' sind kleiner als der mittlere Magnet 22' und haben damit kleinere Polflächen. Sie erzeugen damit bi
eine geringere Interferenz als größere Magnete. Zusätzlich
ist ein seitlich schmalerer End-Magnet 24' am rechten Ende (Fig. 2) vorgesehen. Die Magnete des Eicments
12' haben von oben nach unten die gleiche Länge und sie sind miteinander zusammengebaut. Wird dieses
Element 12' geradlinig in Richtung des Pfeils lh' bewegt,
so dreht sich das drehbare Kleinem 14' in Richtung des
Pfeils 18' um einen Winkel, der proportional der Quadratwurzel der geradlinigen Bewegung des Elements
12' ist. Diese An des Geräts eignet sich ideal für Strömungsmessungen,
da die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal eines Strömungswandlers und das Strönuingsvoliimen
oder die Strömungsgeschwindigkeit im Fall eines typischen Kopf-Strömungsmessers der Quadratwurzel
folgt. Die Welle 34' dreht sich gemäß der Quadratwurzel der 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 Keldes, 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 stellt die gestrichelte Linie 28"
eine imaginäre Linie dar. Durch richtige Formung des magnetischen Gesamt leides kann eine Beziehung zwischen
der geradlinigen Bewegung des Elements 12" und der Drehbewegung des drehbaren Elements 14" erzielt
werden, die stark angenähert einer vorherbestimmten Funktion oder einem empirischen Schema folgt.
Im folgenden wird die Anwendung der Erfindung auf ein Druckmeßgcrät 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 Ansprechverhallen der Quadratwurzel folgt, so daß das Meßgerät
einen Differcntialdruck mißt.
hei dem Meßgerät wird das Differential des Fluiddrucks
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 Quadratwurzclfunktion. 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 Instrumenten-
■:■!
Bj
Bj
gehäuses bildet oder in diesem eingeschlossen ist.
Bei richtiger Konstruktion der Reihe von Siabmagneten
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 cljr Verschiebung des linearen KIements.
Ebenso können die Bewegungen anderen Funktionen folgen. So kann beispielsweise eine Drehung erreicht
werden, die proportional ist der linearen Verschiebung der Magnetscheibe, im letzteren Fall kann
das Meßgerät beispielsweise zur Messung eines Flüssigkeitspegel verwendet werden, und im ersieren Fall beispielsweise
für Strömungsmcssungen.
Das Prinzip der Arbeitsweise des Meßgeräts wird anhand Fig.4 erläutert, die ein kinematisches Diagramm
des Meßgeräts zeigt.
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, daß auf die rechte Seite der
Membran einwirkt.
Auf der rechten Seite der Membran 40 ist ein federndes Glied in Form einer L-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 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 erfolgl eine geringfügige Bewegung, da
das obere Ende des Schenkels 50 festblcibt. 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. )c 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 Membran 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 Kndc des
Schenkels 50 entsprechend dem unter der Verbindung 60 gezeigten Pfeil nach links.
Auf dem Arm 52 ist eine Reihe 12 aus Stabmagneten
angeordnet, die das lineare F.lement des Wandk-rs 10
bilden. Wie in I·" i g. I im das lineare Kleinen! 12 aus drei
Magneten 21, 22 und 23 aufgebaut, die Seite an Seite
angeordnet sind. Die Magnete sind so angeordnet, daß
sich die in F ig. 4 gezeigten l'olarilälcii ergeben, wobei
die genaue Form und Anordnung genauer anhand Fig. I erläulerl wurden. Hei dem praktischen Aufbau
sind diese drei Magnete 21, 22 und 23 am Arm %\ hefe
r) sligi. Im Betrieb des Meßgeräts wird das linealc Kiemen!
12 im wesentlichen geradlinig mil dem Arm 52 verschoben. Damil bewegt sich unierden oben erläuterten
I Imsländen das lineare Kleinem 12 mil tier Mille der
Membran 40 nach links.
ίο Kin in der gezeigten Weise polarisiertes, drehbares
Klemcnl 14 ist auf einer Welle W bcfesiigl, die gegenüber
dem linearen Klemenl 12 fcsi gelagert ist. D.is magnetische
Feld des drehbaren Klcments 14 ist mit dem
magnetischen Überhigeningsfeld der Reihe von M.ipic
ΙΊ ten des linearen Klements 12 gekoppelt. Duivh die miteinander
gekoppelten leider der Magnete werden auf diese magnetische Kriifle ausgeübt, die die Anordnung
in ein ninitfpolirhpm't; ( ii'*.:iml Γι'|( I /W IttllUM'M Mli'hi'M I Il
... e-c - - ■ <-■
solch einem ausgeglichenen leid werden auf die Ma-
2i) gnele praktisch keine Kräfte ausgeübt, die dieselben
bewegen könnten. Besieht bei einem Diffcren/druck
Null auf den beiden einander gegenüberliegenden Seilen der Membran 40 zunächst ein Gleichgewicht, so
werden die Bauteile des Meßgeräts so eingestellt, daß der an der Welle 34 befestigte Zeiger auf die Nullstellung
einer geeigneten Scheibe /ur Ablesung des Drucks oder einer anderen Größe gerichtet ist. Wird ;uif die
Membran 40 in Richtung der Pfeile der F i g. 4 ein Druck ausgeübt, so bewegt sich das lineare Kleinem 12 nach
ίο links und. um den Zustand des Gleichgewichts ties magnetischen
Feldes auficcht/uerhallen. das drehbare Klemenl 14 entsprechend dem gebogenen Pfeil in F ι g. 4 im
Gegenuhrzeigersinn. Die Drehung dauert fort, bis ;inf
das drehbare Element 14 keine magnetischen Kräfte
r> mehr einwirken und die gekoppelten magnetischen I "older
der magnetischen Reihe des l.inearelenienls 12 und des zylindrischen Magneten des drehbaren Klemenls 14
miteinander im Gleichgewicht liegen. Der Zeiger W>
schwenkt in der gleichen Richtung und um den gleichen Winkel wie das drehbare Kleinem 14.
Die Achse des drehbaren Elements 14 und die Welle 34. auf der dasselbe befestigt ist. befinden sich in einem
Absland von der durch die unleren Polflächen der Ficihe
von Magneten 21,22 und 23 gebildeten däche (in F ι g. 4
41; ebenso wie in Fig. I). Diese Kbene ist die Oborllache
jedes Magneten, die gemäß F"ig. I und 4 nach unten
gerichtet ist. Die oberen Polflächcn 25, 26 und 27 (F i g. I) sind an die unlere Fläche des Arms 52 geklebt.
Zwischen dem linearen Kleinen! 12 und dem drehbaren
w Kleinen! 14 befindet sich ein Spalt .36.
Das Meßgerät dient zur Messung von I lüssigkcilspegcln.
Durchflußgcschwindigkeiten oder -mengen und ähnlichen Eigenschaften von Fluiden. Abgesehen davon,
daß Fluide viskos sein und suspendierte Materialien
v> nachteiliger Art enthalten können, ist es nicht zweckmäßig,
die beweglichen Mcßlcile. so die Welle .36 und ihre Aufhängung, Flüssigkeiten auszusetzen. Auch der drehbare
Magnet 14 und der Zeiger 66 werden zweekinäßigerwcise
nicht in Flüssigkeiten eingetaucht. Um die be-
M) weglichen Teile des Meßgeräts trocken zu hallen, isl
eine nichimagnciischc Trennwand 68 im Spalt 36 /.wischen
dem drehbaren Klemenl 14 und dem linearen KIement
12 vorgesehen. Die Trennwand 58 verhindert, -.laß
f'U:id von den beiden Seilen der Membran 40 in den Teil
hl des Meßgeräts eindringt, der das drehbare Klemenl 14,
den Zeiger 6h. die Welle 34. die Aufhängung der Welle
usw. enlhäll. Damit wird auch der von den ! luidüii aus
geüble Druck zurückgehalten. Die Trennwand 6« kann
Ζ,Ο JJt
.hihcr als Drucksehranke bezeichnet werden. Ihre Stärke
und daniii ihre Druekbcständigkeil wird (.lurch die
Bieilc des Sp.ills36 besliniml.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sieh, dall
MItIIeK des erfindungsgeiiiaUcn mechanischen Wandlers s
line in einem l'hiid entstehende mechanische Bewegung
aiiUersi wirksam auf ein außerhalb des hluiils liegendes
Kleinem übertragen wird. Dies gesehiehl mittels der eriiiidungsgemiiLlen
Vorrichtung, weil die magnetischen Kraftlinien frei durch die niehtmagnelisehe Druck-Treiinwiiiul
68 hindurehlrelen. so dall eine mechanische Verbindung /.wischen den nassen und trockenen Teilen
lies Meßgeräts überflüssig wird. Die erfindungsgemaße
Vorrichtung ist daher besonders vorlcilhafl bei einem Meßgeriil zur Messung des Differentialdrucks in einem ii
l'hiid auf einander gegenüberliegenden Seiten eines beweglichen, druckempfindlichen Teils wie einer Membran,
ledoch ist die Krfindiing niehl auf diesen Anwendungsfaü
besenrüiiki.
Viele verschiedene Bewegungsarten, die durch physi- jii
kaiische l'rscncinungen erzeugt werden, können erfinduiigsgemaß
in die Drehung eines Zeigers iimgeselzi werden, l'.in solches (ieiäl muß nicht unbedingt eine
Trennwand oder dergleichen wie beispielsweise die Dnickliennwund 68 enthalten. Mit erfindiingsgemäß >-,
aiifgebaulen Meßgeriilcn können Tcniperaluriinderiingen.
(jeschwindigkeil. Ueschleunigungen. Uelichiungsstiirken
usw. gemessen werden. Bei Bedingungen, bei denen die Vorteile der Krfintlun^ bei Verwendung von
in.rmalcrweise für den jeweiligen Zweck benutzten
Meßgeräten niehl eintreten, ergibt sieh der anwendbare
Aufbau aus den vorstehenden Ausführungen.
Hierzu I Blatt Zeichnungen
■Γι
h'i
Claims (8)
1. Wandler zur Umwandlung einer translatorischen Bewegung in eine Drehbewegung, mit einem ι
ersten um eine Achse drehbar gelagerten Bewegungselement mit einer Anzahl von an seinem Umfang
im gleichen Radialabstand von der Achse angeordneten, permanentmagnetischen Magnetpolen alternierender
Polarität und mit einem zweiten Bewegungselement mit einer Anzahl von in einer quer zur
Richtung der Achse verlaufenden Reihe dicht aneinander anschließend angeordneten permanentma·
gnetischen Magnetpolen alternierender Polarität, deren Polflächen in einer gemeinsamen, in Bewe- is
gungsrichtung verlaufenden Fläche liegen und miteinander in einer quer zur Richtung der Achse verlaufenden
Bewegungsrichtung bewegbar sind, wobei zwischen din einander zugewandten Bereichen
des ersten und des zweiten Bewegungselements ein Abstand besteht, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Bewegungselement ausschließlich zwei diametral gegenüberliegend angeordnete Magnetpole
entgegengesetzter Polarität aufweist, und daß die Anzahl der Magnetpole <Jcs zweiten Bewe- r>
gungselements, die individuelle Erstreckung der Magnetpole in Bewegungsrichtung, und die Polflächengröße
so bemessen sind, daß sich eine Beziehung der Bewegung des zweiten Bewegungsclements zu der
Bewegung des ersten Elements entsprechend einer gewünschten Funktion ergibt.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischc . dem ersten und
dem zweiten Bewegungselement für eine berührungsfreie Zwischenordnung einer druckbclastbaren
Trennwand ausreichend groß bemessen ist.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole (21, 22, 23) des
zweiten Bewegungselements so bemessen sind, daß die vorherbestimmte Funktion linear ist. 4:·
4. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetpole (2Γ, 22', Z3') des
zweiten Bewegungselements so bemessen sind, daß
die vorherbestimmte Funktion im wesentlichen eine Quadratwurzel ist.
5. Wandler nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bewcgungselement
in an sich bekannter Weise aus einer Anzahl von in Magnetisierungsrichtung dünnen Magneten
zusammengesetzt ist. w
6. Wandler nach einem der Ansprüche I bis 4. dadurch
gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das zweite Bcwegungsclemcni (12) einteilig isl
und die Magnetpole aus polarisierten Bereichen des einteiligen Bewegungsclements bestehen. v>
7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis b, dadurch
gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise zwischen den Bewegungselementen (12 bzw. 14)
eine Trennwand (68) vorgesehen ist.
8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da- mi durch gekennzeichnet, daß das zweite Bewcgungselement
eine ausgerichtete Reihe von wenigstens drei Magnetpolen abwechselnder Polarität enthält.
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