DE3008581A1

DE3008581A1 - Induktiver weggeber

Info

Publication number: DE3008581A1
Application number: DE19803008581
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dipl.-Ing. Dr. 6800 Heidelberg Gevatter
Original assignee: Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1980-03-06
Filing date: 1980-03-06
Publication date: 1981-09-10
Also published as: GB2071336B; FR2477702A1; FR2477702B3; GB2071336A; DE3008581C2

Description

Beschreibung:

Die Erfindung geht von einem induktiven Weggeber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus* Unter einer Erregerwicklung wird eine Wicklung verstanden, der ein periodisches Spannungssignal gleichbleibender Amplitude eingespeist wird. Dieses Spannungssignal wird verwendet, um in einer zweiten Wicklung - der Sensorwicklung - ein elektrisches Antwortsignal hervorzurufen, wobei die Kopplung zwischen den beiden Wicklungen eine vorgegebene Abhängigkeit von der zu messenden Wegstrecke aufweist und die Art des in der Sensorwicklung erzeugten Antwortsignals folglich von der Wegstrecke, die ein Probekörper zurückgelegt hat, bzw. von der aktuellen Lage eines solchen Probekörpers abhängt.

Es ist bekannt, bei einem induktiven Weggeber die transformatorische Kopplung zwischen der Erregerwicklung (Primärwicklung des Transformators) und der Sensorwicklung (Sekundärwicklung des Transformators) wegabhängig zu gestalten, indem die Lage des ferromagnetischen Kerns, der die beiden Wicklungen koppelt, geändert wird, oder indem durch Heranführen oder Entfernen ferromagnetischer Teile an die im übrigen unveränderliche Anordnung der Wicklungen und eines sie koppelnden Kerns die transformatorische Kopplung verstärkt oder geschwächt wird. Der Pr_,obekörper, dessen Bewegung oder Lage überwacht werden soll, kann selbst der ferromagnetische Kern· oder ein gesondertes, auf die Wicklungen einwirkendes ferromagnetisches Teil sein, oder kann damit über Getriebeelemente gekoppelt sein, sodaß jedenfalls die Lageänderung des Probekörpers ursächlich mit einer

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Änderung der Kopplung zwischen den beiden Wicklungen verbunden ist.

Bei den bekannten induktiven Weggebern wird der Erregerwicklung ein Wechselstrom mit konstanter Amplitude eingespeist und die Amplitude des in der Sensorwicklung als Antwort erzeugten Wechselspannungssignals ist ein Maß für die Lage bzw. Lageänderung des überwachten Probekörpers. Das Antwortsignal ist also eine amplitudenmodulierte Wechselspannung. Deshalb muß die der Sensorspule nachgeschaltete Auswerteschaltung sehr genau angepaßt sein, damit die Amplitude des Antwortsiqnals meßwertgenau übertragen und nicht verfälscht wird.

Die Erfindung bezweckt demgegenüber die Schaffung eines induktiven Weggebefs, welcher ein Antwortsignal erzeugt, welches in einfacher Weise meßwertgenau ausgewertet werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Weggeber mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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Als bistabile magnetische Elemente, auch als bistabile magnetische Schaltkerne bezeichnet, eignen sich vor allem sogenannte Wiegand-Drähte, deren Aufbau und Herstellung in der DE-OS 21 43 326 beschrieben sind. Wiegand-Drahte sind in ihrer Zusammensetzung homogene, ferromagnetische Drähte (z.B. aus einer Legierung von Hisen und Nick· vorzugsweise 48 % Eisen und 5? % Nickel, oder aus einer Legierung vo· Eisen und Kobalt, oder aus einer Legierung von Eisen mit Kobalt und Nickel, odor aus einer Legierung von Kobalt mit Eisen und Vanadium, vorzugsweise S2 % Kobalt, 38 % Eisen'und 10 % Vanadium), die infolge einer besonderen mechanischen und thermischen Behandlung einen weichmagnetischen Kern und einen hartmagnetischen Mantel besitzen, d.h. der Mantel besitzt eine höhere Koerzitivkraft als der Kern. Wiegand Drähte haben typisch eine Länge von 5 bis 50 mm, vorzugsweise von 20 bis 30 mm. Bringt man einen Wiegand-Draht, bei dem die Magnetisie rungsrichtung des weichmagnetischen Kerns mit der Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Mantels übereinstimmt, in ein äußeres Magnetfeld, dessen Richtung mit der Richtung der Drahtachse übereinstimm.t, der Magnetisierungsrichtung des Wiegand-Drahtes aber entgege gesetzt ist, dann wird bei Überschreiten einer Feldstärke von ca. 16 A/cm die Magnetisierungsrichtung des weichen Kerns des Wiegand-Drahtes umgekehrt. Diese Umkehrung wird auch als Rückstellung bezeichnet. Bei erneuter Richtungsumkehr des äußeren Magnetfeldes kehr sich die Magnetisierungsrichtung des Kerns bei Überschreiten einer kritischen Feldstärke des äußeren Magnetfeldes erneut um, so daß der Kf>rn ;■.! der Mantel wieder parallel magnetisiert sind, i'ier.e Uinkehru der Magnetinierungsrichtung erfolgt sehr rusch und geht mit einer en sprechend starken Änderung des magnetischen Kraftflusses pro Zeit-

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einheit einher (Wiegand-Effekt). Diese Änderung des Kraftflusses kann in einer Induktionsspule einen kurzen und sehr hohen (ja nai Windungszahl und Belastungswiderstand der Induktionsspule bis ca 12 Volt) Spannungsimpuls induzieren (Wiegand-Impuls).

Auch beim Zurückstellen des Kerns wird ein Impuls in einer Induki spule erzeugt, allerdings mit wesentlich geringerer Amplitude unc umgekehrtem Vorzeichen als im Falle des Umklappens von der antiparallelen in die parallele Magnetisierungsrichtung.

Wählt man als äußeres Magnetfeld ein Wechselfeld, welches in der ist, zuerst den Kern und danach auch den Mantel umzumagnetisieren jeweils bis in die magnetische Sättigung zu bringen,so treten Wie Impulse infolge des Umklappens der Magnetisierungsrichtung des we magnetischen Kerns abwechselnd mit positiver und negativer Polari auf und man spricht von symmetrischer Erregung des Wiegand-Drahte: Dazu benötigt man Feldstärken von ca. -(80 bis 120 A/cm) bis +(80 120 A/cm). Das Ummagnetisieren des Mantels erfolgt ebenfalls sprur haft und führt ebenfalls zu einem Impuls in der Induktionsspule, ; doch ist der Impuls wesentlich kleiner als der beim Umklappen des Kerns induzierte Impuls und wird zumeist nicht ausgewertet.

Wählt man jedoch als äußeres Magnetfeld ein solches, welches nur in der Lage ist, den weichen Kern, nicht aber den harten Mantel in seiner Magnetisierungsrichtung umzukehren, dann treten die hohen Wiegand-Impulse nur mit gleichbleibender Polarität auf und man spricht von asymmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man in der einen Richtung eine Feldstärke von wenigstens 16 A/cm (für die Rückstellung des Wiegand-Drahtes) und in der umgekehrten 'dichtung eine Feldstärke von ca. 80 bis 120 A/cm.

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Charakteristisch für den Wiegand-Effekt ist, daß die durch ihn erzeugten Impulse in Amplitude und Breite weitgehend unabhängig sind von der Änderungsgeschwindigkeit des äußeren Magnetfeldes und ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen.

Für die Erfindung geeignet sind auch anders aufgebaute bistabile magnetische Elemente, wenn diese zwei magnetisch miteinander gekoppelte Bereiche von unterschiedlicher magnetischer Härte (Koerzitivkraft) besitzen und in ähnlicher Weise wie Wiegand-Orähte durch induziertes, rasch erfolgendes Umklappen des weichmagnetischen Bereichs zur Impulserzeugung verwendet werden können. So ist zum Beispiel aus der DE-PS 25 14 131 ein bistabiler magnetis« Schaltkern in Gestalt eines Drahtes bekannt, der aus einem hartmagnetischen Kern (z.B. aus Nickel-Kobalt), aus einer darauf abgeschiedenen elektrisch leitenden Zwischenschicht (z.B. aus Kupfer) und aus einer hierauf abgeschieden weichmagnetischen Schicht (z.B. aus Nickel-Eisen) besteht. Eine andere Variante verwendet zusätzlich einen Kern aus einem magnetisch nicht leitenden metallischen Innenleiter (z.B. aus Beryllium-Kupfer), auf den dann die hartmagnetische Schicht, darauf die Zwischenschicht und darauf die weichmagnetische Schicht abgeschieden werden. Dieser bekannte bistabile magnetische Schaltkern erzeugt allerdings geringere Schaltimpulse als ein Wiegand-Draht.

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Am Ort des BME überlagern sich das zeitlich unveränderliche · Magnetfeld und das von der Erregerwicklung erzeugte periodische Magnetfeld zu einem periodischen magnetischen Wechselfeld, welches das BME periodisch zum Wechsel seiner magnetischen Polarität, dih. zur Umkehrung der Magnetisierungsrichtung seines weichmagnetischen und ggfs. seines hartmagnetischen Bereichs veranlaßt. Der periodische Wechsel der magnetischen Polarität des BME vollzieht sich sprunghaft und führt zur Erzeugung einer Folge von charakteristischen Impulsen in der Sensorspule. Der Zeitpunkt der Auslösung dieser Impulse ist abhängig von der Wechselwirkung des zeitlich unveränderlichen mit dem periodischen Magnetfeld, da zum Auslösen der Impulse das resultierende magnetische Wechselfeld am Ort des BME in beiden Richtungen von den Eigenschaften des BME vorgegebene Schwellenwerte überschreiten muß. Folglich ändert sich dann, wenn sich die Stärke des resultierenden magnetischen Wechselfeldes ändert, auch die Phasenlage der erzeugten Impulse in bezug auf die Phase des erregenden periodischen Spannungssignals. Mithin ist das Antwortsignal des erfindungsgemäßen VJeggebers eine phasenmodulierte Folyo von Impulsen mit gleichbleibender Irnpulshöhe, die meßwerttjenau in einer nachgeschalteten Auswerteschaltung sowohl digital als auch analog weiterverarbeitet werden kann.

Bei vorgegebener Amplitude des von der Erregerwicklung erzeugten

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zeitlich periodischen Magnetfelds am Ort des BME ist der Arbeitsbereich des Weggebers räumlich beschränkt auf Werte der Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds, die um wenigstens die zur Rückstellung des BME (bei asymmetrischer Erregung) bzw. die zur Ummagnetisierung des hartmagnetischen Bereichs des BME (bei symmetrischer Erregung) erforderliche Feldstärke kleiner ist als die Amplitude des von der Erregerwicklung erzeugten Magnetfelds, weil nur dann das resultierende Magnetfeld in der Lage ist, nach jedem Vorzeichenwechsel das BME magnetisch umzupolen. Unter Rückstellung des BME wird dabei die Umkehrung der Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Bereichs von der - bezogen auf die Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Bereichs - parallelen in die antiparallele Orientierung verstanden.

Die Auswertung des Antwortsignals ist naturgemäß dann besonders einfach, wenn zwischen der Phasenlage der Antwortimpulse und der Lageänderung des Probekörpers möglichst weitgehend ein linearer Zusammenhang besteht. Deshalb ist es von Vorteil, wenn der Gradient des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds möglichst weigehend konstant ist (Anspruch 2) und wenn das der Erregerwicklung zugeführte Spannungssignal in jeder Periode möglichst weitgehend einen linearen zeitlichen Spannungsverlauf besitzt (Ansprüche 3 und 4). Mittel zur Linearisierung des räumlichen Verlauf s-des zeitlich unveränderlichen Magnetfeldes sind Stand der Technik.

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Das zeitlich unveränderliche Magnetfeld wird am besten durch Dauermagnete (Anspruch 5) aufgebaut, obwohl grundsätzlich auch Elektromagnete dazu verwendet werden können.

Zur Erzielung eines möglichst großen Arbeitsbereiches des Weggebers und zur Erleichterung der Linearisierung des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds wird ein solches zeitlich unveränderliches Magnetfeld bevorzugt, welches einen Nulldurchgang (Vorzeichenwechsel) der magnetischen Feldstärke besitzt, wobei dieser Nulldurchgang der Feldstärke zweckmäßigerweise in der Mitte des räumlichen Arbeitsbereiches des Weggebers liegen sollte-, (Anspruch 6). Dieser Vorteil läßt sich jedoch nur dann voll ausnut wenn zugleich das periodische Magnetfeld der Erregerwicklung ein Wechselfeld ist, wobei zweckmäßigerweise sowohl das zeitlich unveränderliche Magnetfeld als auch das magnetische Wechselfeld bezüglich ihres jeweiligen Nulldurchgangs symmetrisch aufgebaut sind (Anspruch 7).

Auch hier gilt, daß der räumliche Arbeitsbereich des Weggebers auf Werte der Feldstärke des seitlich unveränderlichen Magnetfelds beschränkt ist, die soviel kleiner sind als die Amplitude den; magnetischen Wechselfeldes, deiß noch nach jedem Vorzeichenwechsel des resultierenden Magnetfeldes eine Umkehrung der Magnetisierungs-

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richtung erfolgen kann. Da somit die Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds ohnehin einen gewissen Abstand von der Amplitude des magnetischen Wechselfeldes einhalten muß, kann als erregendes Spannungssignal zum Aufbau des magnetischen Wechselfeldes mit gutem Erfolg eine sinusförmige Wechselspannung (Anspruch 8) verwendet werden, weil diese in einem wesentlichen Bereich beidseits der Nulldurchgänge bereits weitgehend zeitlich linear ist. An den Rändern des Arbeitsbereiches, d.h. bei Ausnutzung des Magnetfeldes der Erregerwicklung in der Nähe der zeit- ' liehen Scheitelwerte der magnetischen Feldstärke kann am Antwortsignal auf schaltungstechnischem Wege eine Linearitätskorrektur angebracht werden. Diese Linearitätskorrektur kann entfallen, wenn man zur Speisung der Erregerwicklung von vornherein ein sägezahnförmiges Spannungssignal gemäß Anspruch 9 verwendet.

Der erfindungsgemäße Weggeber kann mit asymmetrischer Erregung des BME betrieben werden, und zwar insbesondere dann, wenn das von der Erregerwicklung erzeugte, zeitlich periodische Magnetfeld ein pulsierendes Gleichfeld ist, dem das zeitlich unveränderliche

so
Magnetfeld/entgegenwirkt, daß das resultierende Magnetfeld ein Wechselfeld ist. Bei vorgegebener Amplitude des pulsierenden Gleichfeldes ist der Arbeitsbereich des Weggebers eine Funktion der Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Magnetfeldes am Ort des BME. Die Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Feldes muß mindestens so hoch sein, daß das resultierende Wechselfeld am Ort des BME in

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der einen (negativen) Richtung wenigstens so stark ist, daß es das BME zurückstellen kann, d.h., daß es in der Lage ist, den weichmagnetischen Bereich des BME aus der parallelen in die zur Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Bereichs antiparallele Magnetisierungsrichtung zu überführen, und die Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Feldes darf am Ort des BME nur so hoch werden, daß die resultierende Feldstärke noch ausreicht, um das BME von der antiparallelen Magnetisierung wieder in die parallele Magnetisierung seiner Bereiche zu überführen, wobei dann ein hoher charakteristischer Impuls in der Sensorwicklung erzeugt wird. Bei Verwendung eines Wiegand-Drahtes als BME benötigt man zur Rückstellung typisch eine resultierende Feldstärke von ca. -16 A/cm, während man für das Ummagnetisieren in die parallele Orientierung bis in den Bereich der Sättigung hinein typisch eine resultierende Feldstärke von ca. 80 bis 120 A/cm benötigt. Wird das angegebene Minimum der Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds ur terschritten, kann das BME nicht mehr magnetisch zurückgestellt wer den. Überschreitet die Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Fe] des das angegebene Maximum, kann trotz Rückstellung das BME nicht mehr magnetisch in die parallele Orientierung umgepolt werden; in beiden Fällen bleiben die charakteristischen Impulse aus. Wenn jedoch die Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Magnetfeldes über das angegebene Maximum hinaus anwächst, kann es dazu kommen, daß das resultierende Magnetfeld in umgekehrter Richtung so stark wird,

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daß der magnetisch harte Bereich des BME ummagnetisiert wird und dann erneut eine asymmetrische Erregung des BME erfolgt, die allerdings zu Impulsen umgekehrter. Polarität in der Sensorwicklung führt.

Vorzugsweise soll der Weggeber jedoch so betrieben werden, daß das BME symmetrisch erregt wird, wozu sich die Weggeber gemäß den Ansprüchen 6 bis 9 besonders gut eignen. Bei symmetrischer Erregung und vorgegebener positiver und negativer Amplitude des magnetischen Wechselfeldes ist dann der Arbeitsbereich des Weggebers dadurch begrenzt, daß am Ort des BME die Feldstärkeamplituden des resultierenden magnetischen Wechselfeldes in beiden Richtungen so groß sind, daß sie ausreichen, um nicht nur den weichmagnetischen, sondern auch den hartmagnetischen Bereich umzumagnetisieren. Wird diese Bedingung eingehalten, so erhält man in der Sensorwicklung eine Impulsfolge mit alternierenden Vorzeichen, wobei die Lage der Impulse in bezug auf die Phase des erregenden Spannungssignals ein Maß für die Lage bzw. Lageänderung des überwachten Probekörpers ist.

Wird die angegebene Bedingung nicht eingehalten, sondern das BME in einen Bereich höherer Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Magnetfeldes versetzt, dann geht die symmetrische Erregung des BME zunächst in eine asymmetrische Erregung des BME über mit der Folge,

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daß in der Sensorwicklung die Impulse einer Polarität ausbleiben, wobei die Polarität der noch erscheinenden Impulse davon abhäntjt, in welcher Richtung der Arbeitsbereich der symmetrischen Erregung überschritten wird.

Zweckmäßigerweise wird man den Arbeitsbereich der symmetrischen Erregung des BME linearisieren. Bei Überschreiten der Schwelle von der symmetrischen zur asymmetrischen Erregung kann die an die Sensorwicklung anzuschließende Auswerteschaltung mit Vorteil so ausgebildet sein, daß sie ein Warnsignal abgibt, weites anzeigt, daß und in welcher Richtung der lineare Arbeitsbereich des Weggebei überschritten wurde (Anspruch 10).

Ob das BME ruht und das zeitlich unveränderliche Magnetfeld verschoben wird oder umgekehrt, ist für das Funktionsprinzip des Weggebers ohne Bedeutung; beides ist möglich. Die Bewegung des zeitlic unveränderlichen Magnetfeldes kann durch die Bewegung der erzeugenc Magnete geschehen, sie kann aber auch bei ortsfesten Magneten durcldie Bewegung ferromagnetischer Leitelemente erfolgen.

Die Erregerwiddung und die Sensorwicklung können grundsätzlich neben dem BME angeordnet sein, wenn sich dadurch eine magnetische Kopplung mit dem BME in hinreichendem Grade bewirken läßt. Vorzugsweise sind aber sowohl die Erregerwicklung als auch die Sensor—

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wicklung unmittelbar um das BME herurngelegt (Ansprüche 11 und 12). Zur Erzielung einer guten Sijialausbeute ist es ferner von Vorteil, als BME einen Wiegand-Draht zu verwenden (Anspruch 13).

Ferner ist es zweckmäßig, daß die beiden Magnetfelder, die einander überlagert werden, am Ort des BME einen parallelen Feldlinienverlauf aufweisen (Anspruch 14), vorzugsweise parallel zur Längsachse des BME (Anspruch 11).

Weggeber setzen üblicherweise lineare Bewegungen bzw. linear erfolgte Lageänderungen in ein Ausgangssignal um. Im vorliegenden Fall ist es auch möglich, den Weggeber als Drehwinkelgeber zu verwenden. Voraussetzung dafür ist, daß über einen entsprechenden azimutalen Winkelbereich das zeitlich unveränderliche Magnetfeld einen Gradienten der Feldstärke in azimutaler Richtung besitzt, der - entsprechend dem Falle eines linearen Weggebers - vorzugsweise über den entsprechenden azimutalen Winkelbereich (Arbeitsbereich) konstant sein und mit einem Nulldurchgang der Feldstärke verbunden sein sollte (Anspruch 15).

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den teigefügten, sehr schematischen Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

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Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufhau eines erfindungsgernäßen Weggebers,

Fig. 2 zeigt den Verlauf eines für den Weggeber geeigneten zeitlich nicht veränderlichen Magnetfelds,

Fig. 3 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Phasenlage der Antwort-Impulse bei Erregung der Erregerwicklung mit einer sinusförmigen Wechselspannung und Anordnur des Wiegand-Drahtes im Nulldurchgang des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds,

Fig. 4 ist eine Darstellung entsprechend Fig. 3 bei Verschiebung des Wiegand-Drahtes aus dem Nulldurchgang des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds heraus, und die

Fig. 5 und 6 sind Darstellungen entsprechend Fig. 3 und 4, jedoch bei Verwendung einer sagezahnförmigen Wechselspannung zur Erregung der Erregerwicklung.

Der in Fig. 1 dargestellte Weggeber besteht aus einem Wiegand-Draht als bistabiles magnetisches Element, aus einer an eine Wechselspannungsquelle 4 angeschlossenen Erregerwicklung 3, welche ebenso

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Ι»ΙΛπγ·λτ(.λ

wie eine Sensorwicklung 2 den Wiegand-Draht unmittelbar umgibt, aus einer Auswerteschaltuncj 8, welche der Sonsorwicklumj 2 nach'j'.— schaltet ist und din Art und l'hasenlaqe dor in der Sen:;orwi ck lun<) 2 entstehenden L>ptfhnun(j!;.wnpu I ;>e bcüLiiiinil., sowie ;ji.ih '.'.wci. iJt.iil«- mayneten G und 7, die beidseits parallel v.urn Wiegand-Draht 1 vorlaufen und zueinander antiparallele Magnetisierungsrichtungen aufweisen, sodaß das magnetische Feld S, welches sich zwischen diesen beiden Magneten 6 und 7 aufbaut, einen Nulldurchgang aufweist, d.h. es findet eine Richtungsumkehr des magnetischen Kraftflusses statt. Unter der Voraussetzung, daß die beiden Magnete 6 und 7 gleich star sind und das Magnetfeld 5 nicht durch äußere Einflüsse verformt wird, befindet sich dieser Nulldurchganq der magnetischen Peldstürk in der Mitte :-owisch.en den beiden Magneten G und 7. Der t'eldstärkeve lauf H_M(s) eines solchen Magnetfeldes ist in Fig. 2 dargestellt, wobei s den Weg zwischen den zwei Magneten 6 und 7 längs einer Abstandsgeraden bezeichnet.

Wird die Erregerwicklung 3 mit einer sinusförmigen Wechselspannung gespeist, so erzeugt die Erregerwicklung 3 ein zeitlich annähernd sinusförmiges Magnetfeld, welches am Ort des Wiegand-Drahtes nach der Formel

(D H_ws = 1T_WS . sin ujt

schwankt. Darin ist R._o die magnetische Feldstärke des Wechselfelde

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am Ort des Wiegand-Drahtes 1, H^- seine Amplitude, t die Zeit und üD die Kreisfrequenz der erregenden Wechselspannung. Ist am Ort des Wiegand-Drahtes 1 nur das magnetische Wechselfeld Κ._ wirksam und ist dessen Amplitude größer als die zur symmetrischen Ummagnetisierung des Wiegand-Drahtes 1 erforderlich« Feldstärke H₃ (Fig. 3):

(II) H_ws >

(wobei Η- bei Wiegand-Drähten im Bereich von +_ (80 bis 120)A/cm liegt), dann werden bei einer bestimmten Feldstärke H , die kleine ist als die Feldstärke H₃, die großen charakteristischen Wiegand-Impulse 9 erzeugt, die in Fig. 3 angedeutet sind. Bei der Feldstär H orientiert sich die Magnetisierung des weichmagnetischen Kerns Wiegand-Drahtes 1 von der antiparallelen in die parallele Orientie rung um. Bei der Feldstärke H wird dann die Magnetisierungsrichtu des hartmagnetischen Mantels des Wiegand-Drahtes umgekehrt. Auch d bei tritt ein Impuls in der Sensorwicklung 2 auf, der jedoch viel kleiner ist als- der bei H auftretende Impuls 9 und im folgenden ni weiter beachtet wird. Er kann durch eine einfache Diskriminatorschaltung unterdrückt weroen.

Die Wiegand-Impulse 9 treten in Abwesenheit des Feldes 5 (H-O) in den Phasenlagen cO t^ und 0Ot₁ +TL auf. Dies entspricht dem Fall,

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daß der Wiegand-Draht 1 genau im Nulldurchgang des Magnetfeldes 5 (H_M= O) liegt.

Wird nun der Wiegand-Draht 1 im Magnetfeld 5 in Richtung des Pfeile; 10 auf einen der Magneten 6 oder 7 au verschoben, so überlagert sich dem Wechselfeld

^HWS = ίζ₃ - sin uJ t

ein Gleichfeld H (s), wodurch - je nachdem ob der Wiegand-Draht zum einen oder zum anderen der Magneten 6 bzw. 7 verschoben wird _ das magnetische Wechselfeld H_w„ "angehoben" oder "abgesenkt" wird. Die dadurch geänderten Verhältnisse lassen sich an der Fig. 4 ablesen, die den zeitlichen Verlauf des resultierenden Magnetfeldes

(III) H = H_ws - H

zeigt. Die Wiegand-Impulse 9 treten nun bei Phasenlagen i0 tp und

auf
LU t,/, die gegenüber den Ausgangslagen oD t^ und uOt^ + 7T- in Richtung auf den zwischen ihnen liegenden Scheitelwert der Feldstär bei der Phasenlage 71/2 verschoben sind. Solange

^HM ^<K ^HWS

ist, findet die Änderung der Phasenlage der Wiegand-Impulse 9 im

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Bereich der linearen Abhängigkeit der Feldstärke H_w„ bzw. Η_ως-Η . von der Phase (^Dt statt.

Will man über den gesamten Phasenbereich einen linearen Zusammenhang zwischen der Phasenlage der Wiegand-Impulse 9 und dem zeitll· unveränderlichen Magnetfeld H_M erhalten, dann kann man dies durch Verwendung einer sägezahnförmigen Wechselspannung zur Speisung dej Erregerwicklung 3 erreichen. Das Magnetfeld Η,,,, der Erregerwicklui 3 hat dann ebenfalls einen ungefähr sägezahnförmigen Verlauf (Fig. 5). Bei Lage des Wiegand-Drahtes 1 im Nulldurchgang des zeil lieh unveränderlichen Feldes 5 (hL· = O) haben die Wiegand-Irnpulse die Phasenlagen ^J) t. und U? t. + TC (Fig. 5). Wird dem Wechs« feld H_S7 durch Verschieben des Wiegand-Drahtes 1 in Richtung des Pfeiles 10 ein Gleichfeld H_M überlagert, so verschieben sich die Phasenlagen der Wiegandimpulse 9 zu den Werten C-^t₁- und tPt , di von den ursprünglichen Phasenlagen üö t. und IU t, + TE-

in Richtung auf den Scheitelwert der Feldstärke in

der Phasenlage Π/2 verschoben sind, und zwar ist die Verschiebung der Phasenlagen der Feldstärke H_M proportional:

(IV) O (t_s - t₄) = K₁ . H_M

- t₆) = K₂ . H_M

Die Konstanten K^ und K_ sind abhängig von der Steilheit der beidei Flanken eines jeden Sägezahns des magnetischen Wechselfeldes. Werd<

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wie im gezeichneten Beispiel beide Flanken mit übereinstimmender Steilheit gewählt, dann ist

und die Wiegand-Impulse 9 beider Polarität erfahren dieselbe Phasenverschiebung, die linear von der Feldstärke H_M abhängt.

Linearisiert man auch noch den örtlichen Verlauf des Magnetfeldes H_M, so daß

(VI) H_M =

ist, wobei K^ eine Konstante ist, dann ist die Phasenverschiebung der Wiegand-Impulse 9 auh linear von der Verschiebung Δ s im Magnetfeld 5 abhängig.

Symmetrische Erregung des Wiegand-Drahtes 1 tritt auf, solange

(VII). H_M ^

bzw. (VIII) H < TT . . „

^{M H}SZ - ^HS (Fig. 5).

Werden diese Werte überschritten, so geht die Erregung in eine asymmetrische Erregung über, bei der jeder zweite Wiegand-Irnpuls ausbleibt, die verbleibenden Impulse also nur noch eine Polarität besitzen.

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Die asymmetrische Erregung endet wenn

^HM ^> ^HWS - ^HR

(Villa) H_M > H,._tc - H

wird, wobei H_R die für eine magnetische Rückstellung des Wiegand-Drahtes erforderliche Feldstärke ist (ungefähr 16A/cm).

Der Grenzwert aus der Beziehung (VII) ist in Fig. 2 eingezeichnet. Aus ihm bestimmt sich der Arbeitsbereich S des Weggebers.

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE A ■*?£ , ά>.S'(Γ

DR. RUDOLF BAUER · OrPLv-ING. HELMUT HUBBUCH

DIPL.-PHYS. ULRICH TWELMEIER 3008581

WESTLICHE aO'31 (AM LEOPÜLDPLAT2)

D-7S3O PFORZHEIM, (WE ST-Qe R M am Y)

'JC (0 73 31) 1OSSOO/TO

3. März I¹JuO III/Be

Dr. Eugen Dürrwächter DODUCO, 75 30 Pforzheim

¹¹ Induktiver Weggeber "

Ansprüche;

Induktiver Weggeber mit einer elektrischen Erregerwicklung, einer elektrischen Sensorwicklung und mit einem die Erregerwicklung und die Sensorwicklung magnetisch koppelnden ferromagnetischen Kern, wobei die Erregerwicklung mit einem periodischen elektrischen Spannungssignal gespeist wird und das in der Sensorwicklung erzeugte elektrische Antwortsignal ein Maß für die zu messende Wegstrecke ist, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Kern ein bistabiles magnetisches Element (nachfolgend BME genannt) ist,

daß Mittel (6,7) zum Erzeugen eines zeitlich unveränderlichen Magne feldes (5) vorgesehen sind, welches das BME (1) überlagert und am Ort des BME (1) einen Gradienten der magnetischen Feldstärke auf-

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weist,

und daß das BME (1) und die magnetfelderzeugenden Mittel (6,7) relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Richtung der Relativ· bewegung eine dem Gradienten der magnetischen Feldstärke am Ort des BME (1) parallele Komponente aufweist.

2. Weggeber nach Anspruch 1, dadurch qekennzeichnd^ daß die Mittel (6,7) zum Erzeugen des zeitlich unveränderlichen

Magnetfelds (5) derart ausgebildet und angeordnet sind, daß der Gradient dieses Magnetfeldes (5) über einen gewissen Bereich der zu überwachenden Wegstrecke (s) konstant ist.

3. Weggeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das der Erregerwicklung (3) zugeführte, periodische,

elektrische Spannungssignal in jeder Periode einen zeitlich linea Spannungsverlauf aufweist.

4. Weggeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungssignal eine Sägezahngestalt hat, wobei die beiden

Flanken eines jeden Zahnes in ihrer Steilheit übereinstimmen.

5. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel (6,7) zum Erzeugen des zeitlici

unveränderlichen Magnetfelds (5) ein Dauermagnet oder eine Anordni von Dauermagneten (6,7) sind.

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6. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zeitlich unveränderliche Magnetfeld (5)

so aufgebaut ist, daß es im räumlichen Arbeitsbereich (S_h) des Weggebers einen Nulldurchgang (Vorzeichenwechsel) seiner magnetischei Feldstärke besitzt,

und daß das von der Erregerwicklung (3) erzeugte, zeitlich periodische Magnetfeld ein Wechselfeld ist.

7. Weggeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nulldurchgang des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds (5)

ungefähr in der Mitte eines Feldstärkebereichs mit konstantem räumlichen Gradienten der Feldstärke liegt,

und daß das von der Erregerwicklung (3) am Ort des BME (1) erzeugte magnetische Wechselfeld bezüglich seiner periodischen Nulldurchgänge (Vorzeichenwechsel) seiner Feldstärke symmetrisch ist.

8. Weggeber nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (3) mit sinusförmiger Wechselspannung

gespeist wird.

9. Weggeber nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (3) mit einer sägezahnförmigen Wechselspannung gespeist wird, bei der die beiden Flanken eines jeden Zahnes dieselbe Steilheit aufweisen.

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10. Weggeber nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorwicklung (2) eine Auswerteschaltur

(8) nachgeschaltet ist, welche teim Ausbleiben von Impulsen (9) der einen von zwei Polaritäten ein vorbestimmtes Signal abgibt.

11. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (3) unmittelbar urr

das BME (1) herumgelegt ist.

12. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorwicklung (2) unmittelbar um

das BME (1) herumgelegt ist.

13. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das BME (1) ein Wiegand-Draht ist.

14. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zeitlich periodisch veränderliche

Mangetfeld und das zeitlich unveränderliche Magnetfeld (5) am Ort des BME (1) einen möglichst weitgehend parallelen Feldlinienverlai. besitzen.

15. Verwendung eines Weggebers nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das zeitlich unveränderliche Magnetfeld

einen Gradienten der Feldstärke in azimutaler Richtung besitzt, al Drehwinkelgeber.

OOPY

130037/0 530 ORIGINAL INSPECTEO