DE2546487A1 - Stellungsmess- und umsetzvorrichtung - Google Patents
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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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»». 033QO33
bhb. 2813-200
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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" 3~ 254648?
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 I8f 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
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. kt 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. Wennrdie 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 (1)
- 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•609819/0806Lage 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 ht 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 führtin
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 Meßleitung6Π981 9/0806 . - 12 -ilein Ausgangssignal erzeugt, welches als eine Funktion dor relativen Lage der Magneteinrichtungen. mit Bezug auf das Rohr schwankt.609819/08061tLeerseife
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