DE2546487A1

DE2546487A1 - Stellungsmess- und umsetzvorrichtung

Info

Publication number: DE2546487A1
Application number: DE19752546487
Authority: DE
Inventors: Victor M Bernin
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1974-10-29
Filing date: 1975-10-17
Publication date: 1976-05-06
Also published as: FR2289879A1; JPS5165964A; ZA755500B; ES442157A1; GB1496976A; IT1043689B; JPS5721641B2; BR7506189A; CA1031054A; SU585819A3; SE409142B; NL7510875A; AU8453275A; SE7512026L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stellungsmeß- und Umsetzvorrichtung, die sich eines langgestreckten Rohres bedient, welches aus einem magnetisch sättigungsfähigen Material hergestellt ist. Durch das Rohr verläuft parallel zu seiner Längsachse ein Meßdraht, und auf einander diametral gegenüberliegenden Außenabschnitten des Rohres sind entgegengesetzt gepolte Magnete angeordnet, so daß der Magnetfluß von den Magneten den Abschnitt des Rohres, welcher zwischen den Magneten liegt, vollständig sättigt, während der verbleibende Teil des Rohres ungesättigt verbleibt. Die Verwendung eines Ferritelements von einer wulst-' förmigen Gestalt, welches zwischen zwei sättigenden Magneten angeordnet ist, um auf einer durch den Kern hindurchgehenden Meßleitung ein Ausgangssignal zu erzeugen, ist in dem US-Patent 3 638 221 offenbart, das im Namen von Victor M. Bernin am 25. Jamiar 1972 ausgegeben und dem Anmelder der vorliegenden Erfindung überschrieben wurde. Die Vorrichtung des Bernin-Patents

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besteht in einem Armaturenbrettschalter, bei welchem der gesamte wulstförmige Kern vollständig gesättigt ist, wenn die Magnete auf einem Tastarm in die Nähe der Kerne abgesenkt werden. Um den Zweck des Bernin-Patents zu erfüllen, ist der Kern des Schalters dieses Patents so angeordnet, daß seine Achse parallel zu dem breiten Teil der Magnete liegt, die von erheblich größerer Abmessung sind als die Dicke des Kerns.

Die vorliegende Erfindung benutzt im Gegensatz dazu ein hohles langgestrecktes zylindrisches Rohr, hergestellt aus einem Material, das magnetisch sättigungsfällig ist, einen Meßdraht, der sich durch das Rohr hindurcherstreckt, sowie zwei entgegengesetzt gepolte Magnete, die sich auf der Außenseite des Rohres entlangbewegen, um eine genaue lineare Angabe der Stellung der Magnete mit Bezug auf das Rohr auf der Meßleitung zu erzeugen. Mit anderen Worten sieht die Erfindung kein "1" oder ¹¹O"-Aus— gangssignal vor, sondern kann statt dessen benutzt werden, um die Stellung der Sättigungsmagnete mit Bezug auf das Rohr genau zu bestimmen. Der Abschnitt des langgestreckten Rohres, welcher zwischen den Magneten liegt, ist gesättigt, während der verbleibende Teil nicht gesättigt ist. Da das Rohr einen geschlossenen Flußpfad bietet, entsteht an den Enden der Sättigungsmagneten kein nennenswerter Randefifekt. Daher verbleibt der Teil des Rohres, der nicht zwischen den Magneten liegt, im wesentlichen ungesättigt. Da das Ausgangssignal, welches auf dem durch das Rohr hindurchführenden Meßdraht erzeugt wird, nicht von den . magnetischen Charakter!stika des Rohres, sondern lediglich von der Stellung der Magnete mit Bezug auf das Rohr abhängig ist, wird ein sehr lineares Ausgangssignal erzielt. Außerdem sind

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auch die Schwierigkeiten, welche magnetische Meßeinrichtungen beeinträchtigen, die von einer Teilsättigung des Meßelements abhängig sind, wie beispielsweise Temperaturschwankungen und Veränderungen durch Altern, ausgeschaltet. Darüber hinaus ist die magnetische Kraft, die erforderlich ist, um die Vorrichtung gemäß der Erfindung zu betreiben, nicht kritisch, da zur Erzeugung des Ausgangssignals die Sättigung des Rohres zwischen den Magneten maßgebend ist. Dies steht in direktem Gegensatz zu den Meßvorrichtungen, wie sie beispielsweise in.dem McAdam-Patent Nr. 2 915 637 gezeigt werden, wo die magnetische Sättigung des gesamten wulstförmigen Kerns durch die Stellung des benachbarten Magneten beeinträchtigt wird. Somit unterliegt der Kern den soeben erwähnten Temperatur- und Alterungsfehlern, und die Vorrichtung hat einen kritischen magnetischen Kraftbedarf für den Steuermagneten.

Die vorliegende Erfindung wird durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung mit einem einzigen Rohr,

Fig. 2 eine Endansicht der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform des Umsetzers,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Stellung der Sättigungsmagnete und der Induktanz der als ein Induktanzelement betriebenen und gemäß Fig. 1 ausgelegten Vorrichtung zeigt,

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Fig. k eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher zwei Rohre miteinander verbunden sind, um ein Differentialpotentiometer zu bilden,

Fig. 5 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung des Verhältnisses der Induktanzen der zwei Rohre der Fig. 4 mit Bezug auf die Verschiebung der Sättigungsmagnete zeigt, und

Fig. 6 eine Ausführungsform, in welcher zwei Rohre benutzt werden, um ein Differentialpotentiometer zu bilden, bei welchem die Rohre in eine halbkreisförmige Gestalt gebogen sind«

Die Stellungsumsetzer gemäß der Erfindung sind hochgradig linear, kontaktlos, sehr genau und zuverlässig; sie sind in der Lage, in ungünstigen Umgebungen' und unter erschwerten Bedingungen zu arbeiten und sind relativ billig. Die Art, in welcher der lineare Umsetzer konstruiert ist, ist in Fig. 1 gezeigt, in welcher das langgestreckte hohle Rohr 10 aus Ferrit oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein kann, das magnetisch sättigungsfähig ist. Wenn eine induktive Type des Umsetzers erwünscht ist, dann kann ein einziger Meßdraht 12 parallel zur Längsachse des Rohres durch dieses hindurchführen. Wahlweise könnte'auch ein Treibdraht ik in das Rohr 10 eingesetzt und mit einem elektrischen Stromimpuls versorgt werden, um die Transformatorwirkuhg zwischen dem Troibdraht 14 und dem Meßdraht 12 vorzusehen. Durch Vervendung des zylindrischen hohlen Rohres 10 wird um den Meßdraht 12 herum durch die Wunde 16 des Rohres 10 ein geschlossener magnetischer Kraftlinienweg gebildet.

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Die eigentliche Länge des Rohres 10 ist abhängig von dor Art und der Genauigkeit der erwünschten Messung. Im allgemeinen liogt jedoch die Längs abmessung L.. des Rohres in der Größenordnung von wenigstens dem Zehnfachen der Dicke bekannter wulstförmigor Kerne, die für eine Verwendung als Magnetspeicherkerne im Handel erhältlich sind j allgemein beträgt die Längsabmessung L des Rohres über 1 Zoll, wenn eine relativ genaue Messung erforderlich ist. Die Längs abmessung L₂ der Magnete 18, 20 ist vorzugsweise etwas kürzer als die Länge L₁. Je länger das Rohr, um so hochgradiger genau wird die Meßvorrichtung. Die relative Lage der zwei Magnete 18, 20, die entgegengesetzt gepolt sind und im Bereiche der Außenfläche des Umfangs der Welle 16 liegen, bestimmt das Ausgangssignal, welches in dem Meßdraht 12 erscheint. Bei ihrem Weg von links nach rechts, wie in Fig. 1 gezeigt, sättigen die Magnete im wesentlichen ein größer und größer werdendes Volumen des Rohres 10. In der in Fig. 1 gezeigten" Lage ist der Abschnitt A des Rohres 10 zwischen den Magneten 18, 20 im wesentlichen gesättigt, während der Abschnitt B außerhalb der Magnete 18, 20 im wesentlichen

ungesättigt ist. Obwohl ein gewisser Sättigungsgrad in der Nähe der Grenzlinie 22 zwischen den Abschnitten A und B vorhanden ist, ist diese sehr gering, und zwar wegen der großen Nähe der Magnete 18, 20 zueinander und wegen des geschlossenen magnetischen Kraftlinienwegs, der durch die Wände 16 vorgesehen ist.

Bei der Bewegung der Magnete 18, 20 nach links oder nach rechts über das Rohr wird jeweils eine unterschiedliche Volumenmenge des Rohres magnetisch gesättigt, um auf der Meßleitung eine Angabe hinsichtlich der relativen Lage des Rohres 10 mit Bezug auf die

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Magnete I8_f 20 zu geben. Da jeder Abschnitt des Rohres entweder vollständig gesättigt oder im wesentlichen ungesättigt ist, ist die Vorrichtung praktisch frei von Temperatur- und Alterungseinflüssen und verlangt keine kritische magnetische Kraft, was der Fall sein würde, wenn die gesamte Konstruktion des Rohres 10 durch die Magnete 18, 20 teilweise magnetisch gesättigt wäre. Somit kann das Rohr 10 bei einem hohen Grad an magnetischer Auflösung und Steuerung allmählich gesättigt werden. Um dieses Ergebnis zu erreichen, muß ein hohes Verhältnis der Länge L₁ des Rohres 10 zu seinem Durchmesser d gegeben sein, so daß der schmale Luftspalt zwischen den Magneten 18, 20 und der Wand Λ β zu einer mehr begrenzten und steuerbaren Flußlinienform führt, so daß der Umsetzer nicht gegenüber der Flußdichte empfindlich ist.

Das Rohr 10 kann stranggepreßt sein, was zu einer hohen Gleichmäßigkeit im Querschnittsbereich führt, was wiederum der Genauigkeit des Umsetzers zuträglich ist. Außerdem können, da induktive Wicklungen nicht um das Rohr 10 herumgewickelt werden, die Magnete 18, 20 in großer Nähe der Wand 16 angeordnet werden, und eine geringe Wanddicke der Wand i6 ist ebenfalls einer hochgradigen magnetischen Auflösung zuträglich. Die graphische Darstellung der Fig. 3 zeigt, daß bei einer Zunahme des Abstandes D von der linken Seite des Rohres zu den rechten Seiten 2k, 26 der Magnete 18 bzw, 20 die Induktanz des Rohres 10 im wesentlichen linear gemäß der relativen Lage der Magnete 18, 20 und des Rohres 10 abnimmt·

Wie oben erwähnt, kann der Umsetzer gemäß der Erfindung durch

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Hinzufügung einer Treibleitung 14 in der Ausführungsform nach Fig. 1 zu der induktiven Ausführung, die lediglich die Meßleitung 12 verwendet, wahlweise als ein Transformatorelement ausgeführt werden. Außerdem kann die vorliegende Erfindung in einer Kombination mit anderen Elementen oder mit zusätzlichen Umsetzern verbunden werden. Beispielsweise zeigt die Ausführungsform nach Fig. h eine Ausgestaltung, in welcher ein erstes magnetisches Rohr 10' in der Nähe eines zweiten magnetischen Rohrs 10" angeordnet ist, so daß die Achse der Längsabmessungen der beiden Rohre miteinander fluchten. Die Meßdrähte 12' durch das Rohr 10¹ und der Meßdraht 12" durch das Rohr 10" sind an ihren Mittelpunkten miteinander verbunden, um eine Ausgangsvorrichtung mit drei Endanschlüssen zu bilden, die als ein Differentialpotentio-

sich
meter benutzt werden kann. Während/die Magnete 18·_f 20· über die Rohre 10', 10" hinwegbewegen, werden verschiedene Abschnitts der betreffenden Rohre gesättigt und ungesättigt. Fig. 5 zeigt die Beziehung des Abstands D¹ von der Mittellinie C in der Mitte zwischen dem linksseitigen Ende des Rohres 10' und dem rechtsseitigen Ende des Rohres 10" zum linksseitigen Ende der Magnete 18', 20", während sich diese nach rechts bewegen, wie in Fig. 4 gezeigt, mit Bezug auf das Verhältnis der Induktanz des Rohres 10" zur Induktanz des Rohres 10· für eine andere Induktorausführung. Ein ähnliches lineares Induktanzverhältnis wird erzielt, während sich die Magnete nach rechts bewegen. Ahnlich wie bei der Aus führungs form nach Fig. 1 kann die Vorrichtung lediglich durch Hinzufügen der Treibleitungen i4* , 14", die beim Induktortyp nicht benutzt werden, in eine Einrichtung vom Typ eines Transformators umgewandelt werden. Die Ausführung nach Fig. h kann auch durch Hinzufügen von Treibdrähten 14', 14" umgewandelt werden, um eine

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Gestaltung entsprechend einem Differentialtransformator hervorzubringen. In diesem Fall sind die rechten Seiten der Leitungen 14^!, 14" miteinander verbunden, um die Ausgangswicklungen des Potentiometers zu bilden, während die Leitungen 12·, 12" wiederum die Meßwicklungen bilden.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. k_t in welcher die Rohre 10·, 10" in eine halbkreisförmige Gestalt gebogen sind, um Platz zu sparen, und die Magnete 18·, 20' entsprechend gebogen sind, um über die Außenseite der Rohre 10¹, 10" herüberzugehen. Es sei darauf hingewiesen, daß das äußere Rohre 18' etwas länger ist als der innere .Magnet 2.0',

Wenn in der Vorrichtung nach Fig. 1 nur der Meßdraht zur Anwendung kommt, und wenn sie als ein Induktormeßelement benutzt wird, dann kommt normalerweise ein Fechselstromerregungssignal zur Anwendung. Die Erregung erfolgt im allgemeinen von einer Stromquelle aus, so

Lage daß die Spannung an dem induktiven Umsetzer der durch die relative/ der Magnete 18', 20¹ und der Rohre 10', 10" verursachten Induktanzabweichung direkt proportional ist. Der Induktor kann mit einem Oszillatorkreis zum Messen in bekannter Weise gekoppelt sein.

Wenn ein Potentiometer-Umsetzer mit drei Endanschlüssen erwünscht ist, wie in Fig. h gezeigt, dann kann an die Meßleitungen 12', 12" eine konstante Spannungserregung angelegt werden. Wenn_rdie Treibleitungen 14', ikⁿ der in Fig. k gezeigten Ausführungsform hinzugefügt werden, um einen Umsetzer nach Art eines Transformators zu bilden, dann werden sie in entgegengesetzter Phase angeschlossen, so daß bei Lage der Magnete 18', 20' der Art, daß die Mittellinie 28 ihre Längenabmessung L halbiex't, ein Nullausgangssignal ent-

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steht. Bei der Bewegung der Magnete ±n die eine oder andere Richtung weicht das Ausgangssignal von seiner Nullstellung ab und macht eine Phasenumkehrung durch, sowie der Mittelpunkt der Magnete über die Mittellinie 28 hinweggeht.

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Claims

Ansprüche:

1.jMeßvorrichtung, gekennzeichnet durch ein zylindrisches, langgestrecktes, hohles Rohr irLt einer Längsachse, hergestellt aus einem Material, welches magnetisch sättigungsfähig ist, wenigstens einen Meßdraht, der sich in einer Richtung im wesentlichen parallel zur Längsachse des Rohres durch das Rohr hindurcherstreckt, und zwei entgegengesetzte Magnetpole, die im Bereiche des Außenumfangs des Rohres diametral einander gegenüberliegen und den Abschnitt des Rohres, welcher zwischen diesen Magnetpolen liegt, vollständig magnetisch sättigen, jedoch zur magnetischen Sättigung des verbleibenden Teils des Rohres im wesentlichen unwirksam sind.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr einen einzigen Meßdraht aufweist, der durch das Rohr hindurchführt, und. die Vorrichtung als eine Induktanz verwendet· wird, welche als eine Funktion der relativen Lage der Magnetpole mit Bezug auf das Rohr schwankt.

3· Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß , das Rohr einen Meßdraht aufweist, der durch dasselbe hindurchführt, sowie einen^Treibdraht, welcher Treibstrom führt und durch das Rohr in einer Richtung im wesentlichen parallel zur Längsachse des Rohres hindurchgeht, und daß die Vorrichtung als ein Transformator benutztfyrird, der auf der Mcßleitung ein Ausgangssignal erzeugt, welches als eine Funktion der relativen

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Lage der Magnetpole mit Bezug auf das Rohr schwankt.

h-, Meßvorrichtung, gekennzeichnet durch ein langgestrecktes, hohles Rohr mit einer Längsachse, hergestellt aus einem Material, welches magnetisch sättigungsfähig ist, wenigstens einen Meßdraht, der in einer Richtung im wesentlichen parallel zur Längsachse des Rohres durch das Rohr hindurchgeht, sowie langgestreckte Dauermagneteinrichtungen, die so konstruiert sind, daß sie einen Teil des Rohres, der im Bereiche der Magneteinrichtungen liegt, vollständig magnetisch sättigen und zur magnetischen Sättigung des verbleibenden Teils des Rohres im wesentlichen unwirksam sind, so daß das Gesamtvolumen des Rohres, welches vollständig magnetisch gesättigt ist, steuerbar gemäß der Lage der Magneteinrichtungen relativ zu dem Rohr schwankt·

5· Meßvorrichtung nach Anspruch h_t dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr einen Meßdraht aufweist, welcher durch das Rohr hindurchführt, und die Einrichtung als eine Induktanz verwendet wird, die als eine Funktion der relativen Lage der Dauermagneteinrichtung mit Bezug auf das Rohr schwankt.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß ' das Rohr eine Meßleitung aufweist, die durch das Rohr hindurchführt, sowie eine Treibleitung, welche Treibstrom führt

in
und/einer Richtung im wesentlichen parallel zur Längsachse des Rohres durch das Rohr hindurchgeht, und daß die Vorrichtung als ein Transformator verwendet wird, der auf der Meßleitung

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ein Ausgangssignal erzeugt, welches als eine Funktion dor relativen Lage der Magneteinrichtungen. mit Bezug auf das Rohr schwankt.

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