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Stellungsgeber mit kontaktlosem Abgriff Die Erfindung bezieht sich
auf einen Stellungsgeber mit kontaktlosem Abgriff. Ein solcher Stellungsgeber ist
der US-Patentschrift 3 340 536 zu entnehmen. Sein wesentlicher Bestandteil ist ein
Potentiometer, dessen Enden mit je einer Referenzspannung untereinander gleicher
Höhe und entgegengesetzter Polarität verbunden sind. Außerdem liegt an den Enden
des Potentiometers die Neßspannung an. Längs des Potentiometers stellt sich an einer
Stelle die Spannung Null ein. Der Ort dieser Stelle ist abhängig von der jeweiligen
Meßspannung. Ein berührungsloser kapazitiver Abgriff wird durch eine Servoeinrichtung
immer dieser Stelle mit der Spannung Null nachgeführt. Die Stellung des Abgriffs
bildet auf diese Weise die Meßspannung ab.
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Entscheidend für die Anzeigegenauigkeit ist die Konstanz der Bezugsspannungsquellen,
an denen die Enden des Potentiometers angeschlossen sind. Derartige Spannungsquellen
sind meist temperaturabhängig, und ein gleichlaufender Temperaturgang für derartige
Referenzspannungsquellen ist schwer zu verwirklichen.
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Ein anderer Stellungsgeber mit kontaktlosem Abgriff ist der deutschen
Offenlegungsschrift 2 006 996 zu entnehmen.
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Dabei handelt es sich um einen Differentialtransformator mit zwei
Wicklungen auf einem geschlossenen magnetischen Kreis. Der Abgriff wird durch einen
magnetischen Kurzschluß verwirklicht, der längs mindestens einer der Wicklungen
beweglich ist. Eine der beiden Wicklungen besteht aus zwei genau gleich großen entgegengesetzt
gewickelten Teilen. Die Herstellung solcher magnetisch und elektrisch genau gleichen
Wicklungen wird zwar beherrscht, doch ist der Fertigungs- und Abgleichaufwand auch
dabei erheblich.
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Mit der Erfindung wird angestrebt, auf einfachere eis, d. h. ohne
die aufwendigen Referenzspannungsquellen oder aufeinander abgeglichene Wicklungen,
zu einem Stellungsgeber mit kontaktlosem Abgriff zu gelangen, dessen Leistungen
denjenigen der bekannten Stellungsgeber nicht nachstehen.
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Bei einem Stellungsgeber mit kontaktlosem Abgriff wird die beschriebene
Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß sich eine gegenüber einem langgestreckten
Leiter ableitungs- und/oder kapazitätsbehaftete Leiterwicklung über einen wesentlichen
Teil der Länge des Leiters erstreckt und in induktiver Wirkverbindung mit einer
längs der Leiterwicklung beweglich angeordneten, wechselstromdurchflossenen Spule
steht, die so bemessen ist, daß das von ihr ausgehende magnetische Feld in jeder
Stellung nur wenige Windungen der Leiterwicklung aurchsetzt, und daß an den Enden
des Leiters und der Leiterwicklung von der Stellung der Spule längs der Leiterwicklung
abhängige Spannungen abgreifbar sind.
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Die Anzeigegenauigkeit des Stellungsgebers nach der Erfindung ist
nur von der Genauigkeit der Steigung der Leiterwicklung und von der Gleichmäßigkeit
des Widerstands-bzw. Kapazitätsbelages zwischen der Wicklung und dem gestreckten
Leiter abhängig. Aufvjendige Abgleiche zwischen zwei gleich großen Wicklungen oder
zwei Referenzspannungsquellen mit genau gleichem Temperaturgang entfallen dagegen.
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Der oben angegebene neue Stellungsgeber kann auch dahingehend abgeändert
werden, daß eine Speisewechselspannung an die Leiterwicklung einerseits und an den
gestreckten Leiter andererseits angelegt und an der beweglichen Spule eine stellungsabhängige
Spannung abgegriffen wird.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die be</egliche
Spule die Leiterwicklung konzentrisch. Eine andre
Ausführungsform
der Erfindung sieht eine Spule vor, die einseitig längs der Leiterwicklung geführt
wird und bei der nur ihr Streufeld einige Windungen der Leiterwicklung induktiv
beeinflußt.
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Der Ableitungsbelag wird zweckmäßig durch eine Widerstandsschicht
zwischen der Leiterwicklung und dem gestreckten Leiter verwirklicht. In analoger
Weise kann der Kapazitätsbelag durch eine Isolierschicht zwischen Leiterwicklung
und dem gestreckten Innenleiter erzeugt werden. Unter Umständen genügt auch die
Isolation des Drahtes, aus dem die Leiterwicklung hergestellt ist.
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Als Material für den die Leiterwicklung tragenden gestreckten Leiter
wird mit Vorteil ein weichmagnetischer Werkstoff gewählt. Der gestreckte Leiter
kann auch als rechteckiger Rahmen oder kreisförmig ausgebildet sein, so daß sich
die Enden des Leiters an einer Stelle, die dann zweckmäßig als Bezugspunkt für die
von der Leiterwicklung abgegriffene Spannung benutzt wird, berühren.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anstelle einer
einzigen Spule eine mit ihren Teilspulen einander gegenüberliegende Abschnitte der
auf einem geschlossenen Innenleiter aufgebrachten Leiterwicklung abgreifende Doppelspule
vorgesehen.
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Mit Vorteil werden die Ausführungsformen der Erfindung als Servogeber
bei einem elektrisch gefesselten Schnellschreiber-Meßwerk verwendet. Gleichermaßen
können Ausführungsbeispiele der Erfindung auch als Servogeber bei sogenannten Kompensationsschreibern
Verwendung finden.
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In beiden Anwendungsfällen werden abgriffstellungsabhängige Spannungen
zusammen mit einer Neßspannung einem Verstärker zugeführt, dessen Ausgang im einen
Fall ein Drehspulmeßwerk ohne Rückstellfeder und im anderen Fall einen Meßmotor
speist. Die abgriffstellungsabhängige Spannung ist dabei im gegenkoppelnden Sinn
zurückgeführt.
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Die Erx dung wird an zehn Figuren erläutert.
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Figur 1 stellt dabei die prinzipielle Anordnung dar.
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Figur 2 zeigt den Verlauf der abgriffstellungsabhängigen Ausgangsspannungen
in einem Diagramm.
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Figur 3 ist ein einfaches Ersatzschaltbild für den Fall der Kapazitätsbelegung
der Leiterwicklung.
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Figur 4 stellt ein genaueres Ersatzschaltbild dar.
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Figuren 5, 6, 7, 8 und 9 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung
in verschiedenen geometrischen Anordnungen.
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In Figur 10 ist ein Anwendungsbeispiel der Erfindung bei einem Schnellschreiber-Neßwerk
dargestellt.
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In Figur 1 umgreift eine mit Wechselstrom gespeiste Spule 1 eine Leiterwicklung
2, die auf einem gestreckten Leiter 3 unter Zwischenlage einer leitenden bzw. isolierenden
Schicht 4 aufgewickelt ist. Zwischen einem Punkt 5 auf dem gestreckten Leiter 3
und den Enden 6 bzw. 7 der Leiterwicklung 2 sind Spannungen Wi bzw. U abnehmbar,
deren Verlauf längs dem veränderlichen Abstand x zwischen einem der Enden der Leiterwicklung
und der Spule 1 im Diagramm der Figur 2 dargestellt sind. Es ist zu erkennen, daß
der Betrag der Spannung UT bei einer Bewegung der Spule 1 von links nach rechts
linear fällt und dabei der Betrag der Spannung U2 von einem Minimalwert auf einen
Maximalwert linear ansteigt.
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In Figur 3 ist die Anordnung nach Figur 1 als Ersatzschaltbild für
den Fall einer kapazitiven Beeinflussung des gestreckten Leiters durch die Leiterwicklung
dargestellt. Eine von der Spule 1 nach Figur 1 in der Leiterwicklung 2 induzierte
Spannung UO teilt sich an zwei in Serie geschalteten, spulenstellungsabhängigen
Kapazitäten C . x bzw. C . (1 - x) in zwei Spannungen Ul = UO . (1 - x) bzw. U2
= UO . x auf.
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Figur 4 stellt ein Ersatzschaltbild für den gleichen Fall dar, bei
dem jedoch zusätzlich berücksichtigt ist, daß die zwischen dem gestreckten Leiter
und den Enden der Leiterwicklung abgreifbaren Spannungen wirklich mit der angeschlossenen
Auswerteschaltung durch deren Innenwiderstand R belastet sind. Der Kapazitätsbelag
ist durch einzelne parallelgeschaltete
Teilkapazitäten Cl bis Cn
dargestellt. An diesem Ersatzschaltbild läßt sich die untenstehende Formel für den
Betrag der Spannung UT ableiten. Der Betrag für die Spannung U2 ist in ähnlicher
Weise zu gewinnen. Es geht aus der Ableitung hervor, daß die schon an Figur 3 abgeleiteten
Beziehungen auch bei Belastung der entnommenen Spannungen gelten, wenn der Wert
für - RC sehr viel größer als 2 gemacht wird, was leicht zu verwirklichen ist. Eine
analoge Betrachtung läßt sich auch für einen Widerstandsbelag der Leiterwicklung
ableiten. Sie führt zu dem Ergebnis, daß, wenn R nur groß genug ist, auch für diesen
Fall die Beziehungen nach Figur 3 zwischen den an den Enden abgreifbaren Spannungen
und der von der Spule 1 in der Leiterwicklung 2 induzierten Spannung bestehen.
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Mit # RC # 2 ist U1 == uo (1 - x); IU2I = uox In Figur 5 ist eine
geometrische Anordnung eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung dargestellt,
bei dem die Spule 1 die Leiterwicklung 2 nicht umfaßt, sondern axial an der Leiterwicklung
2 entlanggeführt wird. Es kommt dabei nur das Streufeld der Spule 1 zur Wirkung.
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Die am Leiter 3 und den Enden der Leiterwicklung 2 abgegriffenen Spannungen
Wi und UZ- werden einer Auswerteschaltung 8 zugeführt, die beispielsweise aus einer
Verstärkeranordnung und einem Anzeigeinstrument bestehen kann.
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In Figur 6 ist eine ähnliche Ausführungsform der Erfindung zu erkennen,
bei der wieder gleiche Bauteile die gleichen
Bezugszeichen tragen.
Es ist jedoch die Spule 1 konzentrisch zur Leiterwicklung 2 angeordnet. In gestrichelter
Darstellung ist angedeutet, daß die Enden des gestreckten Leiters 5 und der Leiterwicklung
2 zusammen mit der sie trennenden Widerstands- oder Isolatorfolie 4 auch abgewinkelt
werden können.
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Die Anordnung nach Figur 7 entspricht der Anordnung nach Figur 5,
bei der jedoch Innenleiter 3 und Leiterwicklung 2 zu einem Kreisring ausgebildet
sind. Der Weg der Spule 1 wird dann ebenfalls zu einem Kreis.
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In Figur 8 ist eine Anordnung mit einem geschlossenen Leiter 3 und
zwei Leiterwicklungen 2 und 2' dargestellt, die auf den langen Seiten des als rechtwinkligen
Rahmens ausgebildeten Leiters 3 aufgewickelt sind. Die Spule 1 ist in zwei Teile
1' und 1" einer Doppelspule aufgelöst. Eine der Figur 8 entsprechende Ausführung
mit einer kreisförmigen Gestalt der Leiterwicklung 2 ist in Figur 9 dargestellt.
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Figur 10 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Schnellschreiber-Meßwerk
mit Polschuhen 11. Im Luftspalt zwischen den Polschuhen 11 und einem Kern 12 ist
eine Drehspule 10 gelagert. Die Drehspule trägt einen Zeiger 14, der auf einer Schreibkante
16 aufliegt, über die ein der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellter
Registrierstreifen läuft. An einer Achse 15 der Drehspule 10 ist mit einem Arm 13
die Spule 1 des Stellungsgebers befestigt, welche die Leiterwicklung 2 über dem
gestreckten Leiter 3 konzentrisch umfaßt. In Figur 10 nicht dargestellt sind Speisung
der Spule 1 mit Wechselstrom und Abgriffe an Leiter 3 und den Endungen der Leiterwicklung
2. Die den Abgriffen entnehmbaren Spannungen würden über einen Verstärker die Drehspule
10 speisen.
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11 Patentansprüche 10 Figuren