DE2636586B2

DE2636586B2 - Einrichtung zur Messung einer im wesentlichen linearen Verschiebung eines Körpers mit einer festen Spule

Info

Publication number: DE2636586B2
Application number: DE2636586A
Authority: DE
Inventors: Jose Petit- Enghien Deneyer; Eduard Haasdonk Selleslagh; Armand Genk Timmermans
Original assignee: VERENIGDE ENERGIEBEDRIJVEN VAN HET SCHELDELAND (EBES) ANTWERPEN (BELGIEN)
Current assignee: VERENIGDE ENERGIEBEDRIJVEN VAN HET SCHELDELAND (EBES) ANTWERPEN (BELGIEN)
Priority date: 1975-08-13
Filing date: 1976-08-13
Publication date: 1979-08-09
Also published as: SE7609032L; FR2321110A1; NL7609050A; DK364476A; US4103233A; JPS5255654A; LU75579A1; DE2636586C3; DE2636586A1; IT1071403B

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Literaturstelle »Pflier: Elektrische Messung mechanischer Größen (1958), Seiten 68 bis 70, beschreibt die Verwendung einer Spule zur Messung der exakten Stellung eines beweglichen Kerns der Spule und die Verwendung einer Wechselstrombrücke, um Änderungen des Spannungsabfalls der Spule zu messen.

Es wird nicht nur die Blindkomponente gemessen, sondern auch die Widerstandskomponente des Spannungsabfalls in der Spule. Die Blindkomponente ist jedoch gegenüber der Widerstandskomponente so klein, daß diese Blindkomponente nicht mit Präzision durch die gleichen Instrumente bestimmt werden kann, die auch die Widerstandskomponente messen. Diese Vergleichsmethoden können deshalb nicht verwendet werden, um beispielsweise die Stellung von Steuerstangen eines Kernreaktors zu bestimmen, wobei diese Messungen schnell, einfach und genau ohne irgendeinen Fehler durchgeführt werden müssen.

Brückenmeßverfahren oder andere Vergleichsverfahren erfordern verschiedene Einstellungen, beispielsweise Änderungen von Potentiometereinstellungen für jede Messung.

Dies isi kein großer Nachteil, wenn beispielsweise die Einrichtungen verwendet werden, um die Dicke von Werkstücken zu messen. In diesem Fall kann das Kernmaterial für jede Messung verschieden sein. Wenn jedoch das Kernmaterial immer die gleiche Substanz ist, so führt die Vergleichsmethode zu einem ganz erheblichen Zeitverlust. Da eine Bedienungsperson tätig

sein muß, können Bedienungsfehler nicht ausgeschlossen werden. Die Messung von Kontrollstangenverschiebungen muß nicht nur schnell, einfach und genau durchgeführt werden, sondern die Messung muß insbesondere durch Rechner automatisiert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung der vorgenannten Art zu schaffen, mit der die Messung schnell, einfach und genau durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die technische Lehre des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung können diese Vorteile erreicht werden. Mit Vorteil werden die beiden Komponenten der Impedanz nicht voneinander getrennt. Das Meßgerät beim Erfindungsgegenstand zeigt nicht Spannungen an sondern eine Blindleistung. Diese Blindleistung wird dadurch erhalten, daß ein Signal vervielfacht wird, welches proportional zum Spannungsabfall an der Spule und in Phase mit diesem ist, und zwar durch ein Signal, welches proportional zum und in Phase mit dem Strom ist, der durch die Spule fließt, nachdem eines dieser Signale in der Phase um 90° verschoben wurde.

Die Multiplikation kann mittels eines bekannten elektronischen Vervielfachers durchgeführt werden.

Die Vervielfachung kann aber auch digital mittels Binärrechnung durchgeführt werden. Die Multiplikation erfolgt in diesem Fall durch eine Anzahl von Additionen oder Subtraktionen. Die Blindleistung für eine Periode ist das Integral, oder in der digitalen Version die Summe einer Anzahl von Produkten der momentanen Spannung an der Spule und des Momentanstromes durch die Spule, dessen Phase um 90° voreilt. Dieser phasenverschobene Strom ist proportional zum Stromdifferential, und die vorher erwähnte Phasenverschiebung wird durch eine Ableitungsbildung ersetzt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 ein elektrisches Schaltschema einer bekannten Einrichtung zur Messung einer im wesentlichen linearen Verschiebung,

Fig.2 ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung zur Messung einer im wesentlichen linearen Verschiebung gemäß der Erfindung,

F i g 3 eine grafische Darstellung, welche den Verlauf der Induktivität der Spule als Funktion der Verschiebung des Stabes in der Spule angibt, und zwar für zwei verschiedene Frequenzen der Wechselstromquelle,

F i g. 4 bis 8 jeweils ein elektrisches Schaltschema gemäß der Erfindung zur Messung einer im wesentlichen linearen Verschiebung,

Fig.9 ein Vektordiagramm, welches Impedanzen darstellt, und zwar zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnungen gemäß F i g. 1 und 4,

Fig. 10 ein Vektordiagramm, welches Impedanzen darstellt, und zwar zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung gemäß F i g. 5,

F i g. 11 ein Vektordiagramm, welches Impedanzen darstellt, und zwar zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnungen gemäß F i g. 6 und 8,

Fig. 12 ein Vektordiagramm, welches Impedanzen darstellt, und rwar zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung gemäß F i g. 7, und

Fig. 13 ein vereinfachtes Schaltschema einer erfindungsgemäßen Anordnung, welche dem Prinzipschaltbild der F i g. 2 entspricht.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung werden analoge Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die bekannte Installation gemäß Fig. 1 ermöglicht es, die Position eines Körpers zu bestimmen. Dies trifft auch für den Fall der erfindungsgemäßen Installationen zu. Insbesondere ermöglicht die Installation gemäß der Erfindung, wie es in dem Prinzipschaltbild gemäß F i g. 2 dargestellt ist, die Position verschiedener Körper wie 1 zu bestimmen, von denen der eine schematisch in der Fi g. 2 dargestellt ist. Diese Körper sind beispielsweise Steuerstäbe, welche einen Druckwasser-Kernreaktor steuern. Auf jedem Steuerstab oder Körper 1 und in

r, dessen Verlängerung ist eine Stange 2 angebracht. Diese Stange ist in vertikaler Richtung mit dem Steuerstab 1 verschoben, und zwar innerhalb einer Hülse, die eine Verlängerung des Reaktormantels darstellt. Das Material der .Hülse und das Wasser, welches diese Hülse ausfüllt, haben annähernd dieselbe magnetische Permeabilität.

Die Hülse 3 ist durch eine Spule 4 umgeben, die in der Fig. 13 durch den Widerstand R 5 und die Induktivität L 6 veranschaulicht ist.

Die Induktivität L und der Widerstand R der Spule 4 verändern sich als Funktion der Position der Stange 2 in der Hülse 3, und zwar irr· Inneren der Spule 4. Die magnetische Permeabilität der Stange 2, welche sich in vertikaler Richtung innerhalb der Hülse 3 verlagert und somit stärker in die Spule 4 hineinbewegt wird oder weiter aus der Spule herausgeführt wird, unterscheidet sich stets von derjenigen des Wassers und von derjenigen des Materials der Hülse.

Die Induktivität L ist nicht nur eine Funktion der Position der Stange 2 in der Spule 4, sondern auch der Frequenz des Stromes.

Die Fig. 3 veranschaulicht für zwei verschiedene Frequenzen bei einer konstanten Temperatur die Veränderung der Induktivität (AL) als Funktion der Veränderung der Position der Stange 2 im Inneren der Spule 4.

Die Kurve 7 betrifft eine niedrigere Frequenz und die Kurve 8 eine höhere Frequenz.
Die Kurven veranschaulichen die Zunahme oder die Abnahme der Induktivität in bezug auf die Induktivität der Spule 4, wenn die Stange 2 mit ihrem oberen Ende auf der Höhe des unteren Endes der Spule 4 angeordnet ist. Diese Veränderung der Induktivität (AL) ist als Funktion der Länge (As) angegeben, über welche die Stange 2 in die Spule 4 eindringt.

Die Veränderung der Induktivität erfolgt in in zwei Teilen. Ein erster Teil (ALi) ergibt sich aus der Zunahme der magnetischen Permeabilität der Umgebung der Spule, und zwar infolge des Eindringens der Stange 2 in die Spule 4. Diese Veränderung erfolgt in derselben Richtung wie As. Somit ergibt sich für As>Q die Beziehung AL\ >0.

Ein zweiter Teil (A Z*) muß parasitären Strömungen in der Stange zugeschrieben werden. Dieser Teil ist eine Funktion der Frequenz.

Sein absoluter Wert nimmt mit der Frequenz zu. Dieser Teil ändert sich in entgegengesetztem Sinn zu As. Somit ergibt sich für As> 0 die beziehung/l/i < 0.

Für niedrige Frequenzen (Kurve 7) herrscht der erste Teil vor. Somit ergibt sich \ALi\7\ALi2. Folglich ergibt sich für As>0 die Beziehung AL\+AL₂>0. Die Induktivität nimmt als Funktion der zunehmenden Eindringtiefe der Stange in die Spule zu.

Für erhöhte Frequenzen (Kurve 8) dominiert hingegen der zweite Teil. Somit ergibt sich |4t,2|7|4Li|. Folglich ergibt sich für zls>0 die Beziehung AL\+ALi<<i. Die Induktivität nimmt als Funktion der Zunahme der Eindringtiefe der Stange in die Spule ab.

Durch entsprechende Kalibrierung läßt sich erreichen, daß für jede gewünschte Frequenz die Kurve AL· = F(As) bekannt ist. In derselben Weise läßt sich auch die Induktivität (L 0) für den Moment bestimmen, in welchem die Stange 2 mit ihrem oberen Ende in das untere Ende der Spule 4 eindringt. Nach dem Wert· L= L 0+Δ L läßt sich mittels der entsprechenden Kurve für die angewandte Frequenz die Position der Stange 2 und damit auch die Position des Steuerstabes 1 bestimmen.

In der F i g. 1 ist ausschließlich eine bekannte Installation veranschaulicht, die hinsichtlich der Spule 4, des Meßstabes 10 und der Stromquelle 21 nicht gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Die Spule 4 dieser bekannten Installation umgibt eine Hülse 3 und eine Stange 2, die an einem Steuerstab 1 befestigt ist, und zwar in derselben Weise, wie es in der F i g. 2 für die Anordnung dargestellt ist. Bei der bekannten Installation gemäß F i g. 1 wird die Spule 4 durch eine Stromquelle 21 gespeist, welche über die Spule einen Strom mit der Amplitude / führt, wobei der Strom weitgehend konstant ist und auch die Pulsation ω sehr konstant ist. Der Spannungsabfall in der Spule 4 ist / · Z Diese Spannung wird in der Meßeinrichtung 10 gemessen. Wenn der angelegte Strom gleich / cos ω t ist, beträgt der Spannungsabfall in der Spule 4, welcher mit der Meßeinrichtung 10 zu messen ist, einen Wert, welcher einer Wechselspannung mit der Amplitude

I]JR² + (La)²

entspricht. Diese Wechselspannung eilt dem Strom /um einen Winkel

= 6g tg

JiH R

R von wesentlicher Bedeutung im Hinblick auf die Veränderungen der Reaktanz/xo und können nicht mit Exaktheit bestimmt werden, so daß es schwierig ist, die Werte von Lm und ALm mit Hilfe der in der Fig. 1 dargestellten Installation zu ermitteln.

Mit den Anordnungen, wie sie in den F i g. 2, 4 bis 8 und 13 bis 16 veranschaulicht sind, werden jedenfalls die Einflüsse des Widerstandes R auf das Signal eliminiert, welches der Meßeinrichtung zugeführt wird. Es wird

ίο von der Spannung bei der Spule 4 aus ein Signal erzeugt, welches derjenigen Komponente dieser Spannung proportional ist, welche gegenüber dem Strom eine Phasenverschiebung von 90° aufweist, d. h. ein Signal, welches proportional zu Lm ist, und dieses Signal wird der Meßeinrichtung 10 zugeführt. Die Art und Weise, wie dies im einzelnen erreicht wird, wird unten im einzelnen näher erläutert.

Um von dem mit Hilfe der Meßeinrichtung 10 gemessenen Signal aus den Einfluß des Anteiles des Widerstandes R der Impedanz der Spule zu eliminieren, weist die Anordnung gemäß Fig. 4 außer der Stromquelle 21, der Spule 4 und der Meßeinrichtung 10 weiterhin einen Widerstand 34, eine Einrichutng 35, welche eine Phasenverschiebung von 90° erzeugt, und eine Einrichtung 36 auf, welche als Multiplizierstufe und als Filter arbeitet.

Der Widerstand 34 mit dem Wert Rm ist mit der Spule 4 und der Stromquelle 21 in Reihe geschaltet. Ebenso wie bei der Installation gemäß F i g. 1 tritt in der Spuie 4 ein Spannungsabfall / Zmit der Amplitude

40

voraus. Für eine Installation gemäß F i g. 1 ist der Phasenwinkel φ zwischen dem Strom und dem Spannungsabfall ohne Bedeutung.

Wenn vorausgesetzt wird, daß /und ω exakt konstant sind, hängt die Amplitude der Wechselspannung, welche von der Meßeinrichtung 10 ermittelt wird, ausschließlich von R und von L ab, die für einen festen Wert von / und ω ausschließlich von der Temperatur und von der Verlagerung der Stange abhängen, wobei die Verlagerung der Stange innerhalb der Spule 4 angesprochen ist.

Der Widerstand R ist insbesondere eine Funktion der Temperatur, die die mit Hilfe eines Thermoelementes gemessen werden kann, und zwar in der Weise, daß der Einfluß der Temperatur auf R berechnet werden kann, so daß zunächst der Spannungsabfall in der Spule 4 mit Hilfe der Meßeinrichtung 10 gemessen werden kann, woraus sich der Wert von L ermitteln läßt Jedoch sind die auf diese Weise gewonnenen Ergebnisse nicht absolut zuverlässig, was unter anderem da herrührt, daß der Widerstand R auch bei einer vorgegebenen Temperatur nicht vollkommen fest ist Der Wert von R verändert sich stets mit der Verlagerung der Stange in der Spule.

Im übrigen sind die Veränderungen des Widerstandes.

auf, wobei die Spannung in bezug auf den Strom / um einen Winkel

ι = H tg -^-

vorauseilt. Der Spannungsabfall in dem Widerstand 34 ist in Phase mit dem Strom /; die Amplitude dieses Spannungsabfalles ist gleich RmI. Die Einrichtung 35 ist ein Operationsverstärker, der eine Integration mit umgekehrten Vorzeichen durchführt, so daß eine Phasenverschiebung um 90° erzeugt wird, und zwar in der Weise, daß die Phase um 90° vorausgedreht wird. Wenn der Momentanwert des Stroms gleich /cos töiist, ist der Momentanwert der Spannung am Eingang der Einrichtung 35 gleich Rm /cos ωί, und die Spannung am Ausgang der Einrichtung 35 ist dann Rm /cos (ωί+ 90°). Die Multiplizierstufe der Einrichtung 36 empfängt dann an einem Eingang die erste Spannung, welche gleich dem Spannungsabfall in der Spule 4 ist, mit dem Augenblickswert \Z\Icos (at+φ). An dem anderen Eingang empfängt die Multipliziereinrichtung 36 eine zweite Spannung, welche von der Einrichtung 35 geliefert wird. Diese zweite Spannung ist zwar proportional zu dem Strom, sie eilt jedoch gegenüber dem Strom um 90° voraus, und zwar infolge der Phasenvorausdrehung von 90°, die durch die Einrichtung 35 hervorgerufen wird. An ihrem zweiten Eingang empfängt somit die Multipliziereinrichtung 36 die Wechselspannung Rm /cos (or+90°).

Am Ausgang erzeugt die Multipliziereinrichtung 36 ein Signal mit folgendem Wert:

IZI Rm /²COS (mi + ψ) cos (int + 90°) =

\z\RmI² [cos (90° - q) + cos (2 ο» t + 90° +

Dieses Signal enthält eine Wechselstromkomponente mit der doppelten Frequenz der entsprechenden Komponente des Stroms und eine Gleichstromkomponente. Die Wechselstromkomponente wird durch die Filtereinrichtung 36 in der Weise eliminiert, daß das Signal, welches die Meßeinrichtung 10 erreicht, zu folgendem Wert proportional ist:

Z RmI²

oder

2
Rm/²

cos (90° - ,_r)

\z\ si

sin

Einrichtungen, welche eine Multiplikation durchführen und nur die Gleichstromkomponente des Signals durchlassen, welches sich bei der Multiplikation ergibt, sind allgemein bekannt, so daß die Einrichutng 36 nicht im Detail zu erläutern ist.

Wie sich aus der Darstellung der F i g. 9 ergibt, erhält man |Z|sin<p = Lit). Das Signal, welches durch die Meßeinrichtung ermittelt wird, ist somit proportional zu

Rm/² .

In diesem Ausdruck sind Rm, /und ω jeweils konstant, so daß das Signal direkt proportional zu der Induktivität L ist. Es ergibt sich somit ein Signal, in welchem die Widerstandskomponente R der Impedanz der Spule ausgeschlossen ist. Auf Grund der Kombination der Phasenschiebereinrichtung 35 und der Einrichtung 36 wird das Prinzip einer Einrichtung zur reaktiven Leistungsmessung verwirklicht.

Die Anordnung gemäß F i g. 4 mißt direkt die Induktivität L oder die Reaktanz Lm, was gleich bedeutend ist, wenn ω exakt konstant ist, was jedoch schließlich dazu führt, schließlich indirekt die gesamte Impedanz |Z| in Rechnung zu stellen, denn schließlich wird \Z\ sin φ gemessen. Wenn die Messung mit der Einrichtung gemäß F i g. 4 erfolgt, behandelt man schließlich den Gesamtspannungsabfall in der Spule 4 mit einer Multiplikation, die in der Einrichtung 36 ausgeführt wird. Dieser Gesamtspannungsabfall kommt zu einem großen Teil von der Widerstandskomponente der Impedanz her, wenn diese Widerstandskomponente in bezug auf die Reaktanz dominiert Dies hat den Nachteil, daß nur ein kleiner Teil des Meßbereiches am Eingang der Multiplizierstufe für das Nutzsignal in der Meßeinrichtung 10 ausgenutzt wird, was sich somit nachteilig auf die Genauigkeit der Messung auswirkt. Dieser Nachteil wird durch die Meßeinrichtung gemäß F i g. 5 überwunden.

Die Ausführungsform gemäß Fig.5 unterscheidet sich von derjenigen gemäß F i g. 4 durch die Tatsache, daß an einen Eingang der Einrichtung 36 anstatt des Spannungsabfalls in der Spule 4 ein Signal gelegt wird, welches diesem Spannungsabfall, vermindert um eine dritte Spannung, entspricht, welche proportional zu dem Strom ist und mit diesem in Phase ist

Zu diesem Zweck weist die entsprechende Anordnung in Reihe mit der Spule 4, mit der Stromquelle 21 und dem Widerstand Rm 34 weiterhin einen Widerstand Ra 3% auf. Der Spannungsabfall in diesem Widerstand Ra ist gleich Ra I, und er ist somit eine Wechselspannung mit der Amplitude Ra I, die mit dem Strom in Phase ist Der Operationsverstärker 39 empfängt an

einein Eingang des Spannungsabfall in der Spule 4, d. h. die Spannung ZI. An seinem anderen Eingang empfängt der Operationsverstärker 39 den Spannungsabfall in dem Widerstand Ra, d. h. die Spannung Ra I. Diese dritte Spannung am zweiten Eingang des Operationsverstärkers 39 wird von der ersten Spannung am ersten Eingang in der Weise subtrahiert, daß am Ausgang des Operationsverstärkers 39 die Spannung Zl-RaI geliefert wird. Es ergibt sich am Ausgang des Operationsverstärkers 39 somit folgende Spannung:

oder

(R+JlM))I- RaI

[(R- Ra) + JLa]L

An einem ihrer Eingänge empfängt die Einrichtung 36 zur Multiplikation anstelle des Signale (R+jUo)I das Signal [[R-Ra)+jUa]I.

(R-Ra)+jlM> kann als eine Impedanz Z₁ mit der Amplitude

angesehen werden.

Das Signal /Zi eilt in bezug auf den Strom /um einen Winkel

71 = H tg

L (ο

R-Ra

voraus.

Im übrigen entsprechen die Berechnungen den entsprechenden Berechnungen für die Anordnung

gemäß Fig.4, indem Zdurch Z₁, \Z\\ und φ durch φι ersetzt werden. Das in der Meßeinrichtung erhaltene

Signal ist proportional zu

Iz₁

RmI²

sin

jedoch gilt weiterhin |^Ί| sin φι = Ua derart daß in diesem Fall ebenfalls das Signal in der Meßeinrichtung 10 proportional ist zu

RmI² .

wobei in diesem Ausdruck Rm, I und ω jeweils konstant sind. Folglich ist ind iesem Fall ebenfalls das Signal direkt proportional zu der Induktivität L verändert

Der Unterschied in der Arbeitsweise der einzelnen Einrichtungen gemäß Fig. 1, 4 und 5 wird unten an so Hand der Fig.9 und 10 jeweils im einzelnen näher erläutert

Mit der bekannten Einrichtung gemäß F i g. 1 wird der Wert des Vektors OA gemessen, & h. \Z\.

Wenn die Widerstandskomponente der Impedanz der Spule 4 sich zwischen R_mi„ und Rm_1x verändert und wenn die induktive Komponente der Spule 4 für eine vorgegebene Frequenz sich zwischen (La)_mm und (Lw)_m,_x verändert, so liegt der Punkt A in dem schraffierten Rechteck, und die Einrichtung 10 mißt schließlich einen Wert, welcher der Länge OA entspricht

Bei den Schaltungen gemäß F i g. 4 und 5 liefert die Meßeinrichtung 10 ein Signal, welches Lw entspricht, d. h. einen Wert welcher der Länge des Vektors O'A entspricht (siehe F i g. 9 und 10).

Bei der Anordnung gemäß F i g. 4 enthält man in der Meßeinrichtung 10 ein Signal, welches proportional zu O'A ist, indem von einer Spannung ausgegangen wird,

welche an den Eingang der Einrichtung 36 angelegt wird. Diese Spannung ist proportional zu der Impedanz Z oder mit anderen Worten zu der Länge des Vektors OA (siehe F i g. 9 und 10).

Bei der Anordnun Anordnung gemäß Fig. 5 hingegen wird an den Eingang der Einrichtung 36, ausgehend von dem Operationsverstärker 39, eine Spannung angelegt, welche proportional zu \Z\\ ist oder zu der Länge des Vektors OA'(siehe Fig. 10). Das Signal in der Meßeinrichtung 10 ist gleich |^Ί| sin qp¹ = Zsin φ, aber der Punkt A' ändert sich in einem Rechteck, welches näher an der Achse La liegt. Die Widerstandskoinponente der impedanz hat somit eine verhältnismäßig geringe Bedeutung. Die Verbesserung, welche mit der Anordnung gemäß F i g. 5 in bezug auf die Anordnung gemäß F i g. 4 erreichbar ist, ist somit um so größer, je weniger sich R_a von dem zu messenden Wert R entfernt. Beispielsweise wählt man Ra etwa gleich R_mi„ oder gleich

Obwohl in der Anordnung gemäß F i g. 5 die Widerstände 34 und 38 als getrennte Elemente dargestellt sind, könnte die Anordnung auch so getroffen sein, daß sie ein einziges Element bilden. Die zweite Spannung, welche an den Eingang des Phasenschiebers 35 angelegt wird, und die dritte Spannung, welche einem der Eingänge des Operationsverstärkers 39 zugeführt wird, sind beide in Phase und sind zu dem Strom proportional. Sie können denselben Wert haben.

In der F i g. 6 ist ein vereinfachtes Schaltschema einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

Die Ausführungsform gemäß F i g. 6 unterscheidet sich von derjenigen gemäß F i g. 5 durch die Tatsache, daß dem Eingang der Einrichtung 36 insoweit einer der Faktoren der auszuführenden Multiplikation und anstatt des Spannungsabfalls in der Spule 4 ein Signal zugeführt wird, welches um das Produkt eines festen Widerstandes, multipliziert mit dem Strom, vermindert ist, somit

und zwar ausschließlich die reaktive Komponente des Spannungsabfalls in der Spule, somit jLxoI.

Ebenso wie dies gleichfalls bei der Ausführungsform gemäß der F i g. 5 der Fall ist, arbeitet der Operationsverstärker 39 auch als Addierstufe, und er empfängt an einem seiner Ausgänge ein Signal, welches dem Spannungsabfall in der Spule 4 entspricht, somit das Signal ZI.

Das Signal, welches am Ausgang der Addierstufe 39 empfangen wird, wird einem der Eingänge der Einrichtung 36 zugeführt, um dort mit dem Signal multipliziert zu werden, welches von der Einrichtung 35 herkommt, wie dies ebenfalls bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5 der Fall ist

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.6 muß vom Ausgang der Addierstufe 39 zu der Einrichtung 36 ein Signal übertragen werden, welches ein exaktes Maß für jLtal ist und somit für die Widerstandskomponente R, wobei /vollständig eliminiert ist

Zu diesem Zweck muß dem anderen Eingang des Operationsverstärkers 39 für eine Subtraktion des Signals Z/ein Signal R /zugeführt werden. Die Art und Weise, wie dieses Signal R /erreicht wird, wird unten im einzelnen näher erläutert

Das Ausgangssignal der Addierstufe 39 wird ebenfalls dem Eingang einer Einrichtung 40 zugeführt. An seinem anderen Eingang empfängt diese Einrichtung 40 ein Signal, welches ein Abbild des Stromes / ist, beispielsweise dem Spannungsabfall in einem Widerstand 38, der in der F i g. 6 nicht dargestellt ist. Die Einrichtung 40 bewirkt eine Multiplikation der Signale, welche an diesen zwei Eingängen aufgenommen werden, und sie liefert am Ausgang ausschließlich die

ίο Gleichstromkomponente des Produktes. Die Einrichtung 40 arbeitet somit in derselben Weise wie die Einrichtung 36.

Das Ausganssignal der Einrichtng 40 wird einem Komparator 41 zugeführt, und zwar für einen Vergleich mit einem festen Signal Pc.

Das Signal am Ausgang ep des Komparators 41 ist ein Maß für den Unterschied zwischen dem Signal, welches empfangen wurde, und dem festen Wert.
Das Signal vom Ausgang ερ wird einem Modulator 42 zugeführt, der andererseits ein Signal empfängt, welches ein Abbild des Stromes / ist. Dieses Signal, welches ein Abbild des Stromes / ist, ist beispielsweise ein Spannungsabfall in einem Widerstand, der mit der Stromquelle 21 in Reihe liegt, beispielsweise der Spannungsabfall im Widerstand 38.

Das Ausgangssignal des Modulators 42 befindet sich mit dem Strom /in Phase und hat einen Wert R_x I.

Wenn der Wert P_n welcher ausgewählt wurde und mit welchem der Vergleich im Komparator 41

so durchgeführt wird, gleich 0 ist, so ergibt sich R_x I = RI. Tatsächlich bedeutet ein Signal 0 am Ausgang der Einrichtung 40, daß die Spannungen an den zwei Eingängen dieser Einrichtung, die miteinander multipliziert werden, bei vektorieller Betrachtungsweise einen Winkel von 90° miteinander bilden. Die eine dieser Spannungen ist in Phase mit /, so daß die andere keine Widerstandskomponente bzw. resistive Komponente besitzt.

Unter der Voraussetzung, daß die Addierstufe 39 an einem Eingang das Signal (R + JLa)I empfängt und daß ihr Ausgangssignal keine Widerstandskomponente hat, so empfängt sie an ihrem anderen Eingang ein Signal, welches subtrahiert werden muß, nämlich RI, mit anderen Worten: R_x = R.

Die Einrichtung 36 empfängt somit, ausgehend von dem Operationsverstärker 39, ein Signal jluul oder Lu) /COs(UH+90°). Dieselbe Einrichtung 36 empfängt, ausgehend von dem Phasenschieber 35, ein Signal Am/cos (car+90°).

Nach der Einrichtung 36 erhält man eine Komponente der Gleichspannung LcoRm P/2. Vorausgesetzt daß Rm, /und ω jeweils konstant sind, ändert sich das Signal direkt proportional zu der Induktivität.

Der Unterschied zwischen der Arbeitsweise der Einrichtungen gemäß F i g. 4 und 6 wird unten an Hand der F i g. 11 im einzelnen näher erläutert

Bei der Anordnung gemäß F i g. 4 wird dem Eingang der Einrichtung 36 zur Multiplikation ein Signal zugeführt, welches ein Maß der Impedanz OA ist Bei der Anordnung gemäß Fig.6 wird dem Eingang der Einrichtung 36 zur Multiplikation ein Signal zugeführt, welches dieser Impedanz OA proportional ist, nachdem vektoriell der resistive Anteil R dieser Impedanz subtrahiert wurde. Man subtrahiert somit von der Impedanz nicht nur einen festen Wert Ra, wie es bei der Anordnung gemäß Fig.5 der Fall ist Die Resistive Komponente der Impedanz wird in der Weise subtrahiert daß am Eingang der Einrichtung 36

ausschließlich ein Signal angelegt wird, welches zu der Reaktanz Lw proportional ist Die Multiplikation, welche offensichtlich überflüssig ist, vorausgesetzt, daß einer der Faktoren, nf-nlich das Signal am Ausgang der Addierstufe 39, bereits ein Maß für Lw darstellt, wird ausgeführt, weil das Signal am Ausgang der Addierstufe 39 einen zu hohen Rauschpegel aufweist Der Punkt A in dem schraffierten Rechteck liegt einfach auf der Achse Lw, und A' ändert sich nicht mehr innerhalb eines Rechtecks, wie es noch bei der Anordnung gemäß F i g. 5 der Fall ist (siehe F i g. 10), sondern entlang einem Segment, welches in einer stärkeren Linie dargestellt ist und in der F i g. 11 mit A 'bezeichnet ist

Im Laufe der Multiplikation, welche durch die Einrichtung 36 ausgeführt wird, wird somit jeglicher Einfluß der resistiven Komponente der Impedanz der Spule 4 ausgeschlossen.

Die Einrichtung gemäß F i g. 7 entspricht derjenigen der F i g. 5, wobei lediglich der Unterschied vorhanden ist daß dem Spannungsabfall in der Spule 4 eine vierte Spannung hinzugefügt wird, welche dem Strom proportional ist und gegenüber diesem um 90° nacheilt. Diese vierte Spannung ist somit entgegengesetzt zu dem Spannungsabfall, welcher durch die reaktive Komponente der Impedanz der Spule 4 hervorgerufen wird.

Tatsächlich möchte man die Veränderung der Induktivität kennen und nicht deren absoluten Wert. Der Einfluß von AL auf das Meßsignal muß somit so groß wie möglich werden. Dies wird gemäß F i g. 7 dadurch erreicht, daß mit der Spule ein Kondensator 37 in Reihe geschaltet wird, der eine feste Kapazität aufweist, welche jedoch dem Wert der Reaktanz der Spule sehr nahe kommt.

Am Eingang des Operationsverstärkers 39 wird somit anstelle des Spannungsabfalls in der Spule 4, nämlich ZI, der Spannungsabfall in der Spule 4 und im Kondensator angelegt d. h.

Das Signal in der Meßeinrichtung ist somit nicht mehr proportional zu

RmI² ,
L

sondern vielmehr proportional zu
Rm/²

Einrichtung 36 von OA nach OA'. Indem der Kondensator 37 verwendet wird, verlagert man die zur Multiplikation ausgenutzte Impedanz in der Einrichtung 36 von OA' nach OA". Man erhält somit in der Meßeinrichtung 10 ein Signal, welches proportional ist zu OA"sin<p2, was einem Ausdruck entspricht in welchem die Beziehung gilt:

Vorausgesetzt, daß Rm, I, ω und C jeweils konstant sind, ändert sich das Signal somit in diesem Falle ebenfalls linear mit aiL Wenn weiterhin vorausgesetzt wird, daß relativ gesehen für eine vorgegebene Veränderung der Induktivität OL die Veränderung des Signals so groß wie möglich sein muß, so wird

Lw — -ς— zwangsläufig sehr schwach.

Bei der Anordnung gemäß F i g. 7 wird zur Multiplikation an den Eingang der Einrichtung 36, ausgehend vom Operationsverstärker 39, eine Spannung angelegt, die proportional zu \Zi\ oder zu der Länge des Vektors OA "ist, wie es in der F i g. 12 veranschaulicht ist.

Indem die dritte Spannung Ra I im Operationsverstärker 39 subtrahiert wird, verlagert man die ausgenutzte Impedanz für die Multiplikation in der = bgtg

~cTo

R-Ra

Der Meßbereich wird somit durch die Verwendung des Kondensators 37 von der schraffierten Zone, in weicher sich der Punkt A'befindet und welche um die Achse Lw herum angeordnet ist in diejenige schraffierte Zone verlagert in welcher der Punkt A"angeordnet ist und welche um den Punkt 0 herum angeordnet ist
Die Anordnung gemäß F i g. 8 unterscheidet sich von derjenigen gemäß F i g. 7 in derselben Weise wie sich die Anordnung gemäß Fig.6 von derjenigen gemäß Fig.5 unterscheidet In derselben Weise, wie in der Fig.6 verfahren wurde, ersetzt man die Subtraktion von Ra /durch die Subtraktion von R I. In diesem Falle wird weiterhin nicht direkt der Spannungsabfall im Widerstand 38, nämlich Ra I, dem Eingang des Operationsverstärkers 39 zugeführt, sondern über die Kombination der in der F i g. 6 beschriebenen Elemente, wodurch gewährleistet ist daß die resistive Komponente der Impedanz Zeliminiert wird. Das Meßsignal in der Meßeinrichtung 10 erhält man somit aus einer Impedanz, die ausschließlich durch die Reaktanz der Spule 1 gebildet wird, wobei die durch den Kondensator bewirkte Kapazität subtrahiert ist. Dies ist in der F i g. 11 veranschaulicht, in welcher die in Betracht zu ziehende Impedanz OA'für die Multiplikation in OA" transformiert wurde, und zwar durch Subtraktion von j/Oü. In der Ausführungsform gemäß Fig 8 wird hauptsächlich der veränderbare Teil der Impedanz der Spule in der Multiplikation verarbeitet, welche in der Einrichtung 36 erfolgt.

Die Einrichtungen, welche oben an Hand der F i g. 4 bis 8 erläutert wurden, ermöglichen die Bestimmung der Position einer Stange. Die Einrichtung läßt sich jedoch auch derart ausbilden, daß die Bestimmung der Position verschiedener Stangen ermöglicht wird. Dies wird nachfolgend an Hand der F i g. 2 und 13 erläutert.

Die Einrichtung nach dem Prinzipschaltbild gemäß F i g. 2 liefert die Position einer Reihe von Steuerstäben 1 in einem Kernreaktor.

In der F i g.<2 ist nur ein einziger Steuerstab 1 mit der Stange 2 und der Spule 4 veranschaulicht, die dem Steuerstab zugeordnet sind. Tatsächlich wird die Positon aller Steuerstäbe 1 eines Kernreaktors durch dieselbe Zentraleinheit 9 bestimmt, in welcher einerseits alle Spulen 4 und andererseits alle Meßeinrichtungen 10 zusammengefaßt sind.

In der F i g. 2 ist außer dem Anschluß der dargestellten Spule 4 nur eine Anordnung aus zwei zusätzlichen Anschlüssen 11 für nicht dargestellte Spulen veranschaulicht. Tatsächlich besitzt die Zentraleinheit 9 so viele Anschlüsse 11, wie Spulen 4 gesteuert werden, so daß ebensoviele Anschlüsse wie Steuerstäbe 1 im Kernreaktor vorhanden sind.

b5 Für jede Spule wird an die Zentraleinheit 9 eine Meßeinrichtung 10 angeschlossen. In der F i g. 2 sind zur Vereinfachung nur zwei Meßeinrichtungen 10 dargestellt, es sind jedoch normalerweise ebensoviele

Meßeinrichtungen 10 wie Steuerspulen 4 an die Zentraleinheit 9 angeschlossen.

An Hand der Fig. 13 wird im einzelnen näher erläutert, in welcher Weise die Zentraleinheit eine Wechselstromquelle mit eir.er konstanten Amplitude und einer konstanten Pulsation aufweist und die nacheinander erfolgende Speisung durchführt, und zwar in Reihe, über die Verbindungen 11, und zwar von einer der Spulen 4, ausgehend von dieser Wechselstromquelle, so daß man, ausgehend von der Spannung, welche somit an den Klemmen der Spule 4 auftritt, ein Signal erhält, welches zu der Komponente dieser Spannung, welche um 90° in bezug auf den Strom verschoben ist, proportional ist, und es wird dieses Signal der Meßeinrichtung 10 zugeführt, welches der angeschlossenen Spule entspricht

Vorausgesetzt, daß die Meßeinrichtungen 10 durch Signale gesteuert werden, welche zu der Spannungskomponente proportional sind, die in bezug auf den Strom um 90° verschoben ist, d. h. durch ein Signal, welches der Induktivität der entsprechenden Spule proportional ist, so messen die Einrichtungen in der Tat die Position der Stangen 2. Die Position kann direkt abgelesen werden, vorausgesetzt, daß die Zentraleinheit 9 ebenso den Wert Δ L in einem entsprechenden Wert von As umformt, welcher der Kurve der Fig.3 entspricht, und zwar entsprechend der Frequenz der Wechselstromquelle, beispielsweise entlang der Kurve 7.

Das Hauptelement der Zentraleinheit 9 ist der Mikrorechner 12. Dieser Rechner, welcher die verschiedenen Elemente der Anordnung steuert, ist eine an sich bekannte Einrichtung, welche nacheinander die Relais 13 über ein Ausgangsregister 14 ansteuert und die Ergebnisse den Registern 15 zuführt.

Alle Spulen 4, von denen zwei in der Fig. 13 durch ihre Widerstände 5 und ihre entsprechenden Induktivitäten 6 dargestellt sind, sind durch ein spezielles Relais 13 mit Kondensatoren 16 verbunden. Die Relais 13 werden getrennt erregt. In keinem Fall werden die Relais von zwei oder mehreren der Spulen gleichzeitig erregt oder geschlossen, so daß stets nur eine der Spulen mit den Leitern 16 verbunden ist, Das jeweils erregte Relais wird durch den Mikrorechner 12 festgelegt. Diese Relais werden während einer bestimmten Zeitdauer nacheinander erregt oder geschlossen, welche ausreicht, um von der Zentraleinheit 9 aus, zu welcher der Mikrorechner 12 gehört, einen Wechselstrom konstanter Amplitude und Pulsation der Spule 4 zuzuführen, den Spannungsabfall dieser letzteren einem Analog-Digital-Wandler 24 zuzuführen, aus diesem Spannungsabfall und dem Strom der Induktivität der Spule 4 ein entsprechendes Signal abzuleiten, aus dieser Induktivität die Position der Stange zu bestimmen und diese Position der Meßeinrichtung 10 zuzuführen, welche der jeweils angeschlossenen Spule entspricht.

Die Art und Weise, wie diese einzelnen Vorgänge ablaufen, wird nachfolgend im einzelnen näher erläutert.

Mit Hilfe der Anordnung aus den Elementen 17 bis 21 wird der Spule 4 ein sinusförmiger Strom mit konstanter Amplitude und Frequenz zugeführt.

Das Element 17 ist ein Zähler bzw. Rechner, welcher dann, wenn er von dem Mikrorechner 12 in den entsprechenden Ausgangszustand versetzt ist, über das Ausgangsregister 22 die aufeinander folgenden Adressen des Speichers 18 erzeugt. Der Speicher 18 liefert die aufeinanderfolgenden Inkreinente((5) : 0, +1 oder — 1.

Die aufeinander folgenden Inkremente werden einer Addier-Subtrahier-Stufe 19 zugeführt Die Aufeinanderfolge der Inkremente ist derart, daß nach einer Kompensation in der Addier-Subtrahier-Stufe diese eine Folge von numerischen Momentanwerten erzeugt, die eine sinusförmige Kontur aufweisen. Diese Darstellung wird als o-Modulation bezeichnet

Diese Digitalwerte werden durch den Digital-Analog-

Wandler 20 in ein analoges Signal umgesetzt Der Verstärker 21, welcher dieses Signal aufnimmt führt es den Leitern 16 zu und somit der angeschlossenen Spule, so daß diese einen entsprechenden Strom aufnimmt

Die Amplitude des durch den Verstärker 21 erzeugten Stromes wird durch den Widerstand 23 stabilisiert

Der Wert der Spannung an den Klemmen der Spule 4 beträgt U = (R+JUo)L

Der Differentialverstärker 25, der mit einem Widerstand 28 ausgestattet ist liefert somit an den Analog-Digital-Wandler 24 vom Folgetyp die veränderbare Komponente des an den Klemmen der Spule 4 ermittelten Signals, so daß das Signal somit in üblicher Weise aus den Signalen aufbereitet wird.

Am Ausgang des Wandlers 24 wird somit ein digitales Signal geliefert, welches dem Momentanwert der Spannung an den Klemmen der Spule 4 entspricht.

In dieser Spannung U= (R+JUa)I sind ω und / erkennbar. Man möchte jedoch nur L kennen. Somit wird/? eliminiert.

Der Wert von L ist bekannt, wenn man die reaktive Leistung Q kennt.

Q ist stets gleich u>Lh, wobei in diesem Ausdruck w

und / jeweils bekannt sind. Für eine Frequenz oder Pulsation ω, die konstant ist, und für einen Strom / ist somit die reaktive Leistung Q direkt proportional der Induktivität L

Diese reaktive Leistung, welche für eine Periode berechnet wird, läßt sich auch durch folgende Formel ausdrücken:

In dieser Gleichung bedeuten Tdie Periode,
u(t)den Momentanwert der Spannung an den Klemmen der Spule 4,

i(t)den Momentanwert des Stromes in der Spule 4 und

i(t--r) den Strom in der Spule 4, welcher um 90° oder

um eine Viertelperiode vorauseilt.

so Man multipliziert somit die Spannung an den Klemmen der Spule, u(t), mit einem Wert, welcher dem um 90° phasenverschobenen Strom proportional ist,

nämlich i(t— -A, und zwar damit in Phase.

Ausgehend von dem Mittelwert (der durch Teilung durch T erhalten wird) vom Integral des Produktes

u(t)i(t — -j-) für eine Periode erhält man somit einen

Wert Q₁ der direkt proportional zu der Induktivität L ist, was somit dem gesuchten Wert entspricht.

In einer numerischen Version wird das Integral eines

Produktes von zwei Größen, die sich kontinuierlich ändern, durch die Summe der Produkte der diskreten

Werte ersetzt.
b5 Diese diskrete Version liefert:

Q =

Mf.) i

Man addiert somit für eine feste endliche Anzahl von Zeiten n+1 die Werte der Produkte.

u(tj) ist somit der Momentanwert der Spannung an den Klemmen der Spule im Zeitpunkt t/. i(tj) ist der Momentanwert des Stroms in der Spule zum Zeitpunkt t/,

i(tj— -j-) ist der Strom in diesem Zeitpunkt, der um 90° vorauseilt;

tj ist ein beliebiger Zeitpunkt im Laufe einer Periode, geteilt durch η Teile, wobei j sich somii von 0 bis π ändert

Als Beispiel wird für η der Wert 2047 angesetzt Vorausgesetzt daß der Verlauf des Stroms sinusförmig

ist, ist i(t—j-) proportional zu

di(t)
dt

Somit ist Q ebenfalls proportional zu

Vorausgesetzt, daß der Strom in digitaler Form mit einer ö-Modulation erzeugt wird, erhält man bereits aus der Erzeugung des Stromes einen Wert, der proportional zu der Ableitung des Stroms ist, nämlich das Inkrement δ.

ö(t), das Inkrement im Zeitpunkt t, ist ein Maß für die Ableitung des Stromes

di(t)
dt

Folglich ergibt sich

1 ,Λ,
" J=O

wobei in diesem Ausdruck kkonstant ist.

Gemäß den obigen Ausführungen bei der Beschreibung der Erzeugung des Stromes hat das Inkrement ö einen Wert +1,0 oder — 1. Folglich ergibt sich

y=o

was η arithmetischen Operationen der Werte u(tj) entspricht.

Der Momentanwert des Inkrementes ό bestimmt, ob addiert oder subtrahiert wird. Die entsprechenden Operationen finden im Akkumulator 29 statt. Der Akkumulator 29 empfängt einerseits in digitaler Form die Werte der Spannung u(tj), und zwar von dem Analog-Digital-Wandler 24. Andererseits wird der Wert ö(tj) dem Akkumulator 29 durch den Speicher 18 zugeführt.

Im Ausgangsregister 31 wird das Ergebnis der während einer Periode ausgeführten Operationen gespeichert.

Wenn das Register 31 geladen ist, liefert es über das Flip-Flop 32 einen Unterbrechungsbefehl an den Mikrorechner 12, welcher in dem Register 31 den berechneten Wert liest.

Dieser Wert ist proportional zu der reaktiven Lcisutng Q, und unter der Voraussetzung, daß die AniDÜtudc und die Frequenz des Stroms konstant sind, besteht auch eine Proportionalität in bezug auf die Induktivität L

Der Mikrorechner 12 ist so programmiert, daß aus dieser Induktivität L die Position der Stange gewonnen wird, und zwar entlang einer Kurve, in der Linie 7 der F i g. 3 dargestellten Art Der Speicher des Mikrorechners 12 umfaßt naturgemäß zu diesem Zweck die Daten der Kurve, welche der Frequenz des erzeugten Stromes entsprechen.

Der Zahlen wert, welcher durch den Mikrorechner 12 berechnet wird, ausgehend von den aufeinander folgenden Werten u(tj) und <5(//) gemäß der entsprechenden Kurve, und zwar der Position (s) der Stange der Spule 4, welche angeschlossen ist wird durch diesen Mikrorechner 12 zum Register 15 übertragen, welches dieser Spule entspricht.

Jedem Register 15 entspricht ein Digital-Analog-Wandler 33. Dieser Wandler führt das analoge Signal dem Galvanometer 10 zu, welches daran angeschlossen ist und welches die Meßeinrichtung darstellt.

Das Register 15 und folglich die Meßeinrichtung 10 enthalten den Meßwert, bis der Mikrorechner 12 dem Register 15 einen neuen Wert zuführt, der aus neuen Daten berechnet wurde, die vom Register 31 kommen und die Spule 4 betreffen.

Nachdem der Mikrorechner 12 über das Ausgangsregister 14 ein Relais 13 einer Spuie 4 geschlossen hat, wobei zuvor gemäß den obigen Ausführungen ein Strom an die Spule 4 gelegt wurde, wobei auch aus der Spannung an den Klemmen dieser Spule ein entsprechendes Signal und zugehörige Inkremente abgeleitet wurden, entsprechend der Position der Stange 2 und folglich entsprechend der Position des Steuerstabes 1, welcher dieser Spule entspricht, wobei ein entsprechendes Signal auch der Meßeinrichtung 10 zugeführt wurde, öffnet dieser Mikrorechner 12 das Relais der in Rede stehenden Spule.

Der Mikrorechner 12 schließt danach stets über das Ausgangsregister 14 das Relais 13 einer Spule 4, welche anschließend zu betätigen ist, und er veranlaßt eine entsprechende Messung über diese Spule.

Folglich steuert der Mikrorechner 12 nacheinander die Erregung der verschiedenen Relais 13 und den Betrieb der Elemente 17 bis 21, des Digital-Analog-Wandlers 24 und derjenigen Elemente, die für jede der Spulen 4 angeschlossen sind, und zwar in der Weise, daß nacheinander der jeweiligen Meßeinrichtung 10 neue Meßergebnisse zugeführt werden.

Jedes Ausgangsregister 15 hält das Meßergebnis, bis ein neues Meßergebnis empfangen wird.

Die verschiedenen logischen Einheiten werden durch Taktimpulse synchronisiert, welche durch den Impulsgenerator 26 erzeugt werden.
Mit einem auf dem Markt verfügbaren Mikrorechner ebenso wie mit Wandlern, Zählern, Registern, Akkumulatoren usw., wie sie auf dem Markt erhältlich sind, läßt sich eine Anordnung aufbauen, welche die Verarbeitung von 33 Spulen nacheinander in 1,5 Sekunden ermöglicht. Jeweils nach 1,5 Sekunden wird das von der Einrichtung abgelesene bzw. ausgewertete Meßergebnis der entsprechenden Position der Stange und des Steuerstabes angepaßt, während jedes Ergebnis in der Meßeinrichtung bleibt, bis es durch ein neues Ergebnis ersetzt wird. Die Veränderung der Position einer Stange

b5 wird somit mit einer Verzögerung von maximal 1,5 Sekunden angezeigt.

Die oben beschriebene [inrichtiing IaBt sich in vielfälliger Weise abwandeln, und zwar ebenso /111

Verbesserung der Meßergebnisse an den Instrumenten 10 für die effektive Position der Stangen oder Stäbe wie im Hinblick auf die Sicherheit Die Sicherheit kann sich auf die Einrichtung beziehen. Es kann eine fehlerhafte Arbeitsweise der Einrichtung vermieden werden. Die Sicherheit kann sich auch auf die Elemente beziehen, welche außerhalb der Einrichtung angeordnet sind. Die Sicherheit kann beispielsweise ein Signal auslösen, wenn einer der Steuerstäbe eine Position einnimmt, die abnormal sein könnte.

Um die Meßergebnisse der Einrichtungen 10 für die effektive stellung der Stangen zu verbessern, könnte der Mikrorechner 12 den Einfluß der Temperatur kompensieren.

Die Induktivität L ist nicht ausschließlich eine Funktion der Position der Stange oder des Stabes, nämlich von s, und von der Frequenz des Stromes, sondern ebenfalls eine Funktion der Temperatur.

Für jede Temperatur ergibt sich für jede Frequenz eine andere Kurve (AL, As)oder (L, s).

Alle diese Kurven können durch entsprechende Kalibrierung bestimmt werden. L ist somit eine Funktion, welche gemäß einer entsprechenden Kalibrierung der Position der Stange (s), der Frequenz des Stromes (TJund der Temperatur (t)\o\g\.

Nachdem für zwei bekannte, jedoch unterschiedliche Frequenzen Werte von L in zwei eng benachbarten Zeitpunkten bestimmt wurden, ohne daß /wischen diesen zwei Zeitpunkten die Position der Stange oder die Temperatur verändert wurden, kann man aus den Werten von i-die zwei Unbekannten ermitteln, nämlich die Position der Stange und die Temperatur, oder e:-. läßt sich besser die Position der Stange ermitteln, nachdem die Temperatur aus den beiden folgenden Funktionen eliminiert wurde:

L₁ = F(f_hs,t) L₂ = F(h, s, ι)

Die Induktivität L\ und Li werden durch den Mikrorechner in der oben angegebenen Weise für die Frequenzen f\ und /j berechnet.

Diese Frequenzen werden derart gewählt, daß für eine der Frequenzen (Tj) der Einfluß von As und AL ein Minimum darstellt und daß die Tendenz besteht, für die andere Frequenz (f\) einen maximalen Einfluß von As auf Δ L zu erreichen.

Ein Mikrorechner 12 der oben näher genannten Art kann die Temperatur I eliminieren, 5 berechnen und diesen Wert zum Register 15 übertragen, von wo er zu der Meßeinrichtung 10 geführt wird, die der entsprechenden Einrichtung zugeordnet ist.

Mit dem Mikrorechner läßt sich auch eine Korrekturberechnung durchführen, welche der nicht vollkommenen Linearität der Verlagerung der Stange und dem gegenseitigen Einfluß der Spulen Rechnung trägt, die zur Messung jeweils nebeneinander angeordnet sind.

Eine Sicherheit, welche die Einrichtung selbst betrifft, und einen Betriebsfehler in einem Teil der Einrichtung eliminiert besteht darin, die Zentraleinheit 9 zu

to verdoppeln, d. h. alle Komponenten, welche bei der Bestimmung der Position jeder Stange oder jedes Stabes mitwirken.

Zwei Zentraleinheiten können derart miteinander verbunden werden, daß sie gleichzeitig einer jeweils hintereinandergeschalteten Folge arbeiten. Wenn die Verarbeitung der Daten für die einzelnen Stangen nacheinander 1,5 Sekunden dauert, so sind 3 Sekunden erforderlich, wenn die zwei Einheiten in Betrieb sind, und zwar für den Fall, daß eine Einheit ausfallen sollte.

Eine andere Sicherheit, weiche die Einrichtung selbst betrifft, besteht darin, eine zusätzliche Spule zu verwenden, die nicht für die Messung der Position einer Stange oder eines Stabes dient.

Diese zusätzliche Spule mit einer festen Induktivität wird in die nacheinander erfolgende Verarbeitung einbezogen. Es wird dann mit dieser Spule eine Verarbeitrng durchgeführt wie bei den übrigen Spulen, welche zur Bestimmung der Position einer Stange dienen. Diese Spule entspricht somit in gleicher Weise

jo einem Meßkanal.

Vorausgesetzt, daß die Induktivität dieser zusätzlichen Spule bekannt ist, läßt sich fortwährend der Meßwert für diese Spule mit dem bekannten Wert vergleichen. Wenn eine Abweichung auftritt, läßt sich vermuten, daß ein Meßfehler aufgetreten ist.

Eine Sicherheit, welche die Elemente außerhalb der Einrichtung betrifft, wird dadurch erreicht, daß beispielsweise ein Signal verwendet wird, wenn einer der Steuerstäbe eine abnormale Position einnimmt. Es genügt zu diesem Zweck, dem Mikrorechner 12 Werte einzugeben, welche die Induktivitäten erreichen, wenn die Stangen bzw. Stäbe eine solche abnormale Position einnehmen, wobei dann durch den Mikrorechner ein Signal gegeben werden kann, wenn eine tatsächlich

4■) gemessene induktivität einem solchen Wert entspricht.

Anstatt vor der Multiplikation eine Phasenverschiebung von 90° der zweiten Spannung zu erteilen, welche dem Strom proportional ist und mit diesem in Phase ist, läßt sich auch beispielsweise diese Phasenverschiebung

~>o auf den Spannungsabfall in der Spule anwenden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung einer im wesentlichen linearen Verschiebung eines Körpers mit einer festen Spule, deren axiale Richtung der Richtung der zu messenden Verschiebung entspricht, einer Stange, deren magnetische Permeabilität sich von der magnetischen Permeabilität des Mediums unterscheidet, welches von der Spule umgeben ist, wobei die Stange längs der Achse der Spule mit dem Körper verbunden ist, dessen Verschiebung gemessen werden soll und mit einer Wechselstromquelle mit konstanter Amplitude und konstanter Pulsation (Kreisfrequenz), die in Serie mit der Spule geschaltet ist und einen Spannungsabfall in der Spule erzeugt und mit einem Meßgerät, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmaie:

a) ein Spannungssignalgenerator (Widerstand 34 oder Speicher 18) ist in Serie zur Wechselstromquelle (21) geschaltet und erzeugt ein Spannungssignal, welches proportional zum und in Phase mit dem Strom durch die Spule (4) ist;

b) ein Phasenschieber (Verstärker mit Vorzeichenumkehr 35 oder Speicher 18) ist an der Vorrichtung angeschlossen, die das in der Phase zu verschiebende Signal erzeugt, d. h. direkt oder indirekt mit der Spule (4) oder dem Spannungssignalgenerator (34 oder 18);

c) dieser Phasenschieber verschiebt einerseits jo eines der Signale um 90° in der Phase, welches durch den Spannungsabfall an der Spule gebildet wird oder ein Spannungssignal, welches in der Phase von diesem Spannungsabfall abhängt und andererseits das Spannungssignal, j> welches von dem Spannungssignalgenerator (Widerstand 34 oder Speicher 18) erzeugt wird;

d) eine Analog- oder Digitalmultiplizierschaltung (36 oder Akkumulator 29) ist zwischen dem Phasenschieber (35 oder 18) und dem Meßgerät (10) und ebenfalls zwischen diesem Meßgerät (10) und dem Generator des nichtphasenverschobenen Spannungssignals angeordnet, wobei dies die Spule (4) ist, wenn der Phasenschieber (35 oder 18) das Spannungssignal der Phase v-, verschiebt, welches von dem Spannungssignalgenerator (Widerstand 34 oder Speicher 18) erzeugt wird, oder der Spannungssignalgenerator (Widerstand 34 oder Speicher 18), wenn der Spannungsabfall an der Spule (4) durch den Phasenschieber in der Phase verschoben wird, wobei die Multiplizierschaltung (36 oder 29) das Ausgangssignal des Phasenschiebers (35 oder 18) und das Ausgangssignal des Generators des nichtphasenverschobenen Signals (Spule 4 oder y, Spannungssignalgenerator 34 oder 18) vervielfacht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (Verstärker mit Vorzeichenumkehr 35 oder Speicher 18) direkt mit to dem Spannungssignalgenerator (Widerstand 34 oder Speicher 18) verbunden ist und das Signal dieses Spannungssignalgenerators in der Phase um 90° verschiebt, daß die Analog- oder Digitalvervielfacherschaltung (36 oder 29) zwischen dem Phasen- μ schieber (35 oder 18) und dem Meßgerät (10) und ebenso zwischen dem Meßgerät (10) und der Spule oder einem Generator des Spannungssignals angeordnet ist, welcher von diesem Spannungsabfall abhängt und mit diesem Spannungsabfall in Phase ist, um das Ausgangssignal des Phasenschiebers (35 oder 18) und den Spannungsabfall in der Spule oder das davon abhängige Spacnungssignal zu vervielfachen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplizierschaltung (36) eine Analog-Multiplizierschaitung ist und ein Filter aufweist, welches nur die Gleichstromkomponente des Signals durchläßt, welches durch die Multiplikation erhalten wurde.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Spannungssignalgenerator (Widerstand 38) zwischen der Wechselstromquelle (21) und der Spule (4) in Serie mit dieser Quelle (21) angeordnet ibt, daß ein zusätzlicher Operationsverstärker (39), der als Subtrahierstufe arbeitet, in Serie mit der Multiplizierschaltung {36) geschaltet ist, daß ein Eingang des zusätzlichen Verstärkers (39) mit der Spule (4) verbunden ist, daß ein anderer Eingang des Verstärkers (39) mit dem zusätzlichen Spannungssignalgenerator (Widerstand 38) verbunden ist, daß der zusätzliche Operationsverstärker (39) den Spannungsabfall am zusätzlichen Spannungssignalgenerator (Widerstand 34) vom Spannungsabfall an der Soule (4) abzieht oder vom Spannungssignal, welches von diesem Spannungsabfall abhängt und mit diesem in Phase ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Spannungssignalgenerator (38) ein Widerstand ist, dessen Widerstandswert derart ist, daß dieser einen Spannungsabfall erzeugt, der gleich der Spannungskomponente des Spannungsabfalls an der Spule (in Phase mit dem Strom) ist, wobei der Widerstand (38) direkt mit dieser Spule (4) verbunden ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (37) in Serie mit der Spule (4) geschaltet ist und eine feste Kapazität aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Operationsverstärker (39), der als Subtrahierstufe arbeitet, in Serie mit der Multiplizierschaltung (36) geschaltet ist, daß ein Eingang des zusätzlichen Verstärkers (39) mit einem Anschluß der Spule (4) verbunden ist, daß eine weitere Multiplizierstufe (40) vorgesehen ist, daß ein Eingang derselben (40) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (39) verbunden ist, daß ein anderer Eingang mit einem Generator (Widerstand 38) für eine Spannung verbunden ist, die proportional zum Strom in der Wechselstromquelle und in Phase mit diesem ist, daß ein Komparator (41) vorgesehen ist, dessen Eingang mit der anderen Mulliplizierstufe (40) verbunden ist und der das Signal der Multiplizierstufe (40) mit Null vergleicht, und daß ein Modulator (42) vorgesehen ist, dessen Eingang mit dem Komparator (41) verbunden ist, wobei ein anderer Eingang mit einem Generator verbunden ist, der eine Spannung erzeugt, die proportional zum Strom der Spannungsqtielle (21) und in Phase mit diesem ist oder mit einem Widerstand, der in Serie mit der Wechselstromquelle (21) geschaltet ist, daß der Ausgang des Modulators mit einem anderen Eingang des zusätzlichen Operationsverstärkers (39) verbunden

ist, der die Ausgangsspannung des Modulators (42) vom Spannungsabfall in der Spule (4) abzieht, wobei das Ergebnis dieser Subtraktion durch den Verstärker (39) der Multiplizierschaltung (36) zugeleitet wird.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vervielfacherschaltung eine Digitalvervielfacherschaltung ist

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle (21) einen sinusförmigen Strom erzeugt, wodurch ein sinusförmiger Spannungsabfall in der Spule (4) gebildet wird, daß der Phasenschieber (18) und der Signalgenei ator (18) vom Nul'wert dieses Stromes ausgehend, für eine Periode des Stromes ein Signal erzeugen, weiches proportional zur Ableitung des Stromes ist, wobei es sich um die Digitalform des Signals proportional zum Strom, jedoch um 90° phasenverschoben, handelt, daß die Digitalmultiplizierschaltung den augenblicklichen Spannungsabfall an der Spule und das zur Ableitung des Stromes proportionale Signal multipliziert, und wobei die Multiplizierstufe ein Integrator ist, der das Multiplikationsprodukt über diese Periode integriert.

10. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle einen Mikroprozessor (12) aufweist, einen Speicher (18), der vom Mikroprozessor (12) gesteuert w i r d, daß ein Auf- und Abwärtszähler (19) vorgesehen ist, dessen Eingang mit dem Speicher (18) verbunden ist und daß ein Digital-Analogwandler (20) vorgesehen ist, dessen Eingang mit dem Zähler (19) verbunden ist und der die Digitaiwerte des Zählers (19) in Analogwerte umwandelt.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 9, 10 und 11, j > dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromquelle (21) von einem Mikroprozessor (12) gebildet ist und einen Speicher (18) aufweist, der vom Mikroprozessor (12) gesteuert ist, daß ein Aufwärts-Abwärtszähler (19) vorgesehen ist, dessen Eingang mit dem Speicher (18) verbunden ist, daß ein Digital-Analog-Wandler (20) vorgesehen ist, dessen Eingang mit dem Zähler (19) verbunden ist, daß ein Analog-Digital-Wandler (24) vom Gleichlauftyp vorgesehen ist, der mit der Spule (4) verbunden ist 4'> und einen Digitalwert des Momentanwertes des Spannungsabfalls an der Spule (4) abgibt, daß ein Akkumulator (29) vorgesehen ist, daß ein Eingang dieses Akkumulators mit dem Wandler (29) verbunden ist und ein anderer mit dem Speicher (18), daß ->o die Miiltiplizierschaltung (29) digital das Inkrement multipliziert, welches vom Speicher (18) abgegeben wird und den Augenblickswert der Spannung, der vom Wandler (24) abgegeben wird, daß ein Ausgangsregister (31) mit dem Akkumulator ver- v> bunden ist und die Ergebnisse der digitalen Multiplikation des Akkumulators (29) während einer Stromperiode speichert, daß der Mikroprozessor (12) das Register (31) am Ende einer jeden Periode abliest, daß ein Digital-Analog-Wandler (33) das e>o Signal, welches vom Mikroprozessor (12) abgelesen wird, in ein Analogsignal umwandelt und daß das Meßinstrument (10) mit dem Wandler (33) verbunden ist.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden tr> Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Körpeir (1), dessen Verschiebung gemessen werden soll, eine feste Spule (4) vorgesehen ist, deren Axialrichtung der Richtung der Verschiebung entspricht, die gemessen werden soll, daß eine Stange (2) vorgesehen ist, deren magnetische Permeabilität sich von der magnetischen Permeabilität des Mediums unterscheidet, welches von der Spule umgeben wird, daß die Stange (2) längs der Achse der Spule (4) mit dem Körper (1) verbunden ist, dessen Verschiebung gemessen werden soll, daß eine Wechselstromquelle (21) mit konstanter Amplitude und Frequenz vorgesehen ist, daß eine Einheit (9) vorgesehen ist, die mehrere Relais (13) aufweist, deren Unterbrechungselement in Serie mit einer Spule (4) geschaltet ist, daß ein Mikroprozessor (12) die Relais (13) steuert und nacheinander jede Spule (4) in Kontakt mit der Wechselstromquelle (21) bringt, daß ein Spannungssignalgenerator (Widerstand 34) in Serie mit der Wechselstromspannungsquelle (21) geschaltet ist, daß ein Operationsverstärker mit Vorzeichenumkehr (35) als Integrator parallel zum Generator (Widerstand 34) geschaltet ist und die Phase des Spannungsabfalls am Generator (Widerstand 34) um 90° verschiebt, daß eine elektronische Analogmultiplizierschaltung (36) den Spannungsabfall an der Spule (4) vervielfacht und das Signal des Verstärkers (35) und lediglich den Gleichspannungsteil des Signals, das durch die Multiplikation erhalten wird, durchläßt, daß ebenfalls ein Meßgerät (10) für jede Spule (4) vorgesehen ist, das mit dem Ausgang der Multiplizierstufe (35) der Einheit (9) verbunden ist, und daß die Einheit (9), wenn sie ein Signal von der Spule (4) empfängt, ein Signal dem entsprechenden Meßgerät (10) übermittelt.