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Feldplatten-Weggeber, insbesondere für die Meßwert-Fernübertragung
Die Erfindung betrifft einen Feldplatten-Weggeber, insbesondere für die Meßwert-Fernübertragung,
bestehend aus einer Differential-Feldplatte mit zwei magnetfeldabhängigen Widerständen,
die einen Spannungsteiler bilden, und aus einem gegenüber der Feldplatte bewegbaren
Magnetelement.
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In der Meßtechnik ist es bekannt, Feldplatten bzw.
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Differential-Feldplatten als Wegaufnehmer einzusetzen. Hierbei werden
die beiden magnetfeldabhängigen Widerstände der Differential-FelSEplatte mit Hilfe
eines Magneten beeinflußt. Den Weg des Magneten gegenüber der Feldplatte entspricht
deren Widerstandsänderung, die gemessen und angezeigt werden kann. In den normalen
Temperaturbereichen von -20 bis t70 ° hat ein solcher Wegaufnehmer eine Genauigkeit
von )25 %.
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Dieser erhebliche Meßfehler basiert fast ausschließlich auf
Temperatureinflüssen,
wobei zu beachten ist, daß der Temperaturkoeffizient der Feldplatten nicht konstant
ist, sondern sich im Magnetfeld und in Abhängigkeit von der Feldstärke ändert. Da
außerdem die Feldstärke eines Magneten temperaturabhängig ist, trägt auch dessen
Temperaturkoeffizient einen Teil zu der Ungenauigkeit von Feldplatten-Weggebern
bei.
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Diese Umstände führen einerseits dazu, daß das Ausgangssignal des
Gebers keinen linearen Zusammenhang mehr mit dem Weg des Magneten hat und sie bedeuten,
daß auch eine Verschiebung des Nullpunktes der Anzeige auftreten kann.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es bereits versucht worden, die
Feldplatte mit temperaturabhängigen Widerständen zusammenzuschalten. Dieser Ausweg
hat jedoch nicht befriedigen können, da auf diese Weise nur der Temperaturkoeffizient
des Gebers in einer bestimmten Stellung des Magneten kompensierbar ist. Mehr als
eine geringfügige Verbesserung der Genauigkeit ist wegen der variablen Temperaturkoeffizienten
der Feldplatten auf diese Weise nicht zu erreichen. Weiterhin ist versucht worden,
zumindest den Fehler der Nullpunkt-Anzeige dadurch zu vermeiden, daß anstelle eines
Magneten ein Stift aus Silberstahl eingesetzt wurde. Die Verwendung von Silberstahl
oder ähnlichem Materialien als Steuerorgafr r die Feldplatte ist aber wegen der
allzu geringen Widerstandsänderungen der Feldplatten-;;iderstände nachteilig. Man
kann zwar durch Erhöhung des Verstärkungsfaktors eines nachgeschalteten Verstärkers
die dann sehr kleinen Ausgangssignale des Feldplatten-Weggebers ausgleichen, jedoch
ist die ohnehin notwendige Nachverstärkung bereits so groß, daß das Temperaturverhalten
anderer Bauelemente und der Zuleitungen bei einer weiteren starken Erhöhung der
Verstärkung einen zu großen Einfluß auf das Meßergebnis hätte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anzeige-Genauigkeit
von mit Feldplatten arbeitenden Weggebern deutlich zu verbessern und von den üblichen
Änderungen der Umgebungstemperaturen weitgehend frei zu machen.
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Ausgehend von einem Feldplatten-Weggeber der eingangs beschriebenen
Art besteht die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe darin, daß zwischen den Verbindungspunkt
der beiden Widerstände und den Ausgang der Differential-Feldplatte ein Kompensationswiderstand
geschaltet und im '.;eggeber untergebracht ist und daß der Differential-Feldplatte
ein durch einen Widerstand gegengekoppelter Verstärker nachgeschaltet ist, dessen
Eingangswiderstand ganz oder teilweise der Kompensationswiderstand bildet und an
dessen Ausgang der im wesentlichen temperaturunabhängige Meßwert abgreifbar ist.
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Das Prinzip dieser Lösung, die eine ganz erhebliche Linearisierung
der Anzeige liefert, besteht darin, daß ein temperatur- oder magnetfeldabhängiger
Kompensationswiderstand den Eingangswiderstand eines Operationsverstärkers bildet
und in Verbindung mit einem Gegenkopplungs-Widerstand dieses Verstärkers die Steilheit
des Verstärkers steuert. Unter Einbeziehung der in den Unteransprüchen zusammengefaßten
Ausbildungsmöglichkeiten für den Kompensationswiderstand läßt sich - bezogen auf-das
Ausgangssignal - jeder Verlauf des Temperaturkoeffizienten der Feldplatten-Widerstände
ausgleichen, so daß dem Feldplatten-Weggeber ein großer Anwendungsbereich in der
Meßtechnik eröffnet wird. Die zur Lösung der Aufgabe benötigten Mittel sind ebenso
gering wie der Abgleichs-Aufwand, so daß die erfindungsgemäße Lösung auch in wirtschaftlicher
Hinsicht vorteilhaft ist.
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Eine weitere Erhöhung der Meßgenauigkeit insbesondere im Bereich des
Nullpunktes wird dadurch erreicht, daß entweder
das Magnetelement
aus einer zweipoligen, gegenüber der Differetlal-Feldplatte verdrehbaren kreisfiBrmigen
Magnetplatte besteht, oder daß das Magnetelement eine gegenüber der Differential-Feldplatte
verschiebbare vierpolige Magnetplatte ist, deren Pole sich kreuzweise gegenüberliegen.
Diese Magnetelemente sind bei Nullpunktsanzeige zentrisch mit ihrer magnetisch neutralen
Zone über der Feldplatte angeordnet.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen
dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig.
1 ein Prinzlp-Schaltbild einer bekannten Different7al-Feldplatte; Fig. 2 ein schematisches
Schaltbild einer Ausfbrungsform des Feldplatten-Weggebers unter Verwendung einer
Feldplatte gem.
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Fig. 1; Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines
Feldplatten-Weggebers mit drehbarem Magneten; und Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche
Draufsicht auf einen Feldplatten-Weggeber für linear bewegte Magnete.
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Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Differential-Feldplatte enthält
zwei magnetisch beeinflußbare Feldplatten-Widerstände R1 und R2. Diese Widerstände
liegen in Serie an einem Spannungsteilerpunkt 3a. Die Feldplatte besitzt zwei Eingänge
1, 2 zum Anlegen einer Gleichspannung und einen Ausgang 3b, der mit dem Spannungsteilerpunkt
3a verbunden ist. Je nach Stellung des in Fig. 1 nicht gezeigten Magneten ändern
sich die Widerstände R1 und R2, so daß am Ausgang 3b ein der Stellung des Magneten
entsprechendes Ausgangssignal abnehmbar
ist. Die Größe dieses Signals
ist aber auch abhängig von der jweiligen Umgebungstemperatur.
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Mit der in Fig. 2 gezeigten Schaltung lassen sich Temperatureinflüsse
weitgehend eliminieren. Links in der Schaltung sind wieder die beiden Feldplatten-Widerstände
R1 und R2 erkennbar. Zwischen dem Spannungsteilerpunkt 3a und dem Ausgang 3b liegt
ein Kompensations-Widerstand RF Die Eingänge 1 und 2 liegen auf positivem bzw. negativem
Pol einer Spannungsquelle. Der eine Eingang des Operationsverstärkers liegt einerseits
am Ausgang 3b der Differential-Feldplatte und ist andererseits über einen Gegenkopplungs-Widerstand
RK mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden. Der andere Eingang des Verstärkers
ist mit dem Schleifer eines Potentiometers verbunden, das seinerseits über den Eingängen
1 und 2 liegt. Das Ausgangssignal des Verstärkers kann durch ein Meßinstrument M
angezeigt oder zur Auswertung an anderer Stelle weitergeleitet werden. Mit dem Potentiometer
wird der Nullpunkt der Anzeige eingestellt.
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Der Kompensationswiderstand RF ist ein temperaturabhängiger Widerstand,
d. h. ein NTC, PTC oder eine Feldplatte bzw.
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Kombination dieser Bauelemente. Er ist im Feldplatten-Weggeber mit
eingebaut und unterliegt deshalb denselben Temperaturbedingungen wie die Widerstände
R1 und R2.
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Wenn das den Geber beeinflussende, in Fig. 2 nicht dargestellte Magnetelement
eine Stellung in der geometrischen Mitte der Differential-Feldplatte wie bereits
beschrieben einnimmt, ist die Signalspannung UA am Ausgang des Operationsverstärkers
Null. In diesem Fall bewirkt eine Verschiebung der Umgebungstemperatur keine Änderungen
des Widerstandsverhältnisses von R1 zu R2. Sobald das Magnetelement jedoch verschoben
oder verdreht wird, ändert sich der Magnetfluß, dem die beiden Widerstände R1 und
R2 ausgesetzt sind, so daß unterschiedliche Temperaturkoeffizienten vorhanden sind.
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Diese kommen
aber am Ausgangssignal des Verstärkers
nicht mehr zur Geltung, da der Verstärker von dem Kompensations-Widerstand RF in
Verbindung mit dem Geyenkopplungswiderstand RK so gesteuert wird, daß das Ausgangssignal
eine praktisch genaue Wiedergabe der Bewegung des Magnetelementes ist. Wie bereits
angedeutet, wird durch entsprechende Wahl von NTC- und/oder PTC -Widerständel-lgegebenenfalls
in Verbindung mit einer weiteren Feldplatte jede Temperaturfehlerkurve innerhalb
einer vorgegebenen breiten Temperaturspektrums ausgeglichen.
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Um auch eine Nullpunktverschiebung aufgrund von Temperatureinflüssen
sicher auszuschließen, sind die Feldplatten-Weggeber gemäß den Fig. 3 und 4 mit
einem Magnetelement ausgerüstet, das den bisher gelegentlich insoweit aufgetretenen
Fehler verhindert. Die Widerstände R1 und R2 sind üblicherweise in einem Feldplattenkörper
10 untergebracht, der Befestigungslöcher 12 sowie die drei bereits erwähnten Anschlüsse
1, 2, 3b aufweist. Die Widerstände R1 und R2 sind in den Fig.
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3 und 4 gestrichelt, der Kompensationswiderstand RF ist hier nicht
gezeigt. Zentrisch über dem Feldplattenkörper 10 befindet sich in der Ausführungsform
gemäß Fig. 3 ein kreisförmiges zweipoliges Magnetelement 14, das dort drehbar gelagert
und zur Erzeugung eines Ausgangssignals von einem Stellglied verdrehbar ist.
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Wird das Magnetelement 14 nun um seinen Mittelpunkt verdreht, findet
eine symmetrische Beeinflussung der Widerstände R1 und R2 statt.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird ein vierpoliges Magnetelement
18 verwendet, bei dem sich die Magnetpole auf einem gedachten Kreuz diametral gegenüberliegen.
Diese Ausführung ist für die Umsetzung von
Linearbewegungen in elektrische
Signale gedacht. Bei einer Linearverschiebung des Magnetelementes 18 aus der dargestellten
Null-Stellung findet wiederum eine symmetrische Beeinflussung der Widerstände R1
und R2 durch gleich große, jedoch entgegengesetzt gerichtete Flüsse statt, so daß
auch hier der Temperaturkoeffizient des Magnetelementes keinen Einfluß auf den Nullpunkt
der Anzeige und auf die Meßwerte hat. Bei dieser Anordnung verläuft der Weg des
Steuermagneten nicht wie vom Hersteller der Feldplatten geplant parallel sondern
quer zur Feldplatte.
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Neben der in dieser Art erreichten Kompensationswirkung wird bei einer
Ausbildung gemäß der Fig. 3 und 4 der zusätzliche Vorteil einer Vergrößerung des
Ausgangssignals erreicht.