DE8123318U1 - Magnetostrictive odometer - Google Patents

Description

HOEGER, STELLRECJrJTj&jPARTlNERHOEGER, STELLRECJrJTj & jPARTlNER

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UHLANDSTRASSE 14C-D 7000 STUTTGART 1UHLANDSTRASSE 14C-D 7000 STUTTGART 1

A 44 780 b Anmelder: Gebhard Balluff GmbH & Co.A 44 780 b Applicant: Gebhard Balluff GmbH & Co.

k - 176 Feinmechanische Erzeugnissek - 176 precision engineering products

27. Juli 1981 Gartenstrasse 21July 27, 1981 Gartenstrasse 21

7303 Neuhausen7303 Neuhausen

Magnetostriktiver WegmesserMagnetostrictive odometer

Die Erfindung betrifft einen magnetostriktiven Wegmesser mit einem Impulsgenerator zur Erzeugung elektrischer Impulse, die an einem magnetostriktiven Element, insbesondere längs eines parallel dazu verlaufenden elektrischen Leiters, entlanglaufen, mit einem Magneten, der bezüglich des magnetostriktiven Elementes in eine dem zu messenden Weg entsprechende Lage bringbar ist, um in diesem durch Zusammenwirken mit dem Magnetfeld der den elektrischen Leiter durchlaufenden Impulse Schallimpulse, insbesondere Ultraschallimpulse, zu erzeugen, mit einem mit dem magnetostriktiven Element gekoppelten Schallwandler zum Umsetzen der Schallimpulse in elektrische Meßsignale und mit Auswerteeinrichtungen zum Ermitteln des zu messenden Weges aus den elektrischen MeSsignalen.The invention relates to a magnetostrictive odometer with a pulse generator for generating electrical impulses that are sent to a magnetostrictive Element, in particular along an electrical conductor running parallel thereto, run along with a magnet which, with respect to the magnetostrictive element, is in a path corresponding to the path to be measured Can be brought into position in this by interacting with the magnetic field of the electrical conductor passing through Pulses Generate sound pulses, especially ultrasonic pulses, with a magnetostrictive one Element-coupled sound transducer for converting the sound impulses into electrical measurement signals and with evaluation devices for determining the distance to be measured from the electrical measurement signals.

Ein derartiger magnetostriktiver Wegmesser ist in der US-PS 3 898 555 beschrieben. Im einzelnen handelt esSuch a magnetostrictive odometer is in the U.S. Patent 3,898,555. In detail it is

sich bei dem bekannten Wegmesser um einen Ultraschall-Wegmesser mit einem Impulsgenerator zur Erzeugung elektrischer Impulse in einem von einem magnetostriktiven Rohr umgebenen elektrischen Leiter, mit einem beweglichen Magneten, der bezüglich des magnetostriktiven Rohres in eine dem zu messenden Weg entsprechende LageThe known odometer is an ultrasonic odometer with a pulse generator for generation electrical impulses in an electrical conductor surrounded by a magnetostrictive tube, with a movable one Magnet, which is in a position corresponding to the path to be measured with respect to the magnetostrictive tube

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bringbar ist, um in diesem durch Zusammenwirken mit dem Magnetfeld der den elektrischen Leiter durchlaufenden Impulse Ultraschallimpulse zu erzeugen, mit einem mit dem magnetostriktiven Rohr verbundenen -Ultraschallwandler zum Umsetzen der Ultraschallimpulse in elektrische Meßsignale und mit Auswerteeinrichtungen zum Ermitteln des zu messenden Weges aus den elektrischen Meßsignalen.can be brought to this by interacting with the Magnetic field of the pulses passing through the electrical conductor to generate ultrasonic pulses with a with -Ultrasonic transducer connected to the magnetostrictive tube to convert the ultrasonic impulses into electrical ones Measurement signals and with evaluation devices for determining the path to be measured from the electrical Measurement signals.

Der bekannte Wegmesser basiert auf dem Prinzip,.daß die elektrischen Impulse, die durch den elektrischen" Leiter, üblicherweise einen Kupferleiter, hindurchlaufen, ein ringförmiges, den Leiter umgebenden Magnetfeld erzeugen, welches im Bereich des beweglichen Magneten mit dessen Magnetfeld überlagert wird, so daß sich für die Dauer des Durchlaufs des elektrischen Impulses durch das Magnetfeld des beweglichen Magneten ein wendeiförmiges Magnetfeld ergibt, welches in dem zwischen Magnet und Leiter angeordneten magnetostriktiven Rohr zur Entstehung eines Ultraschallimpulses führt, der sich in Richtung auf beide Rohrenden ausbreitet. Bei dem bekannten Wegmesser ist nun an dem einen Ende des magnetostriktiven Rohrs ein Ultraschallwandler angeordnet, der die an dem beweglichen Magneten entstehenden Ultraschallimpulse in elektrische Signale umsetzt, so daß die Laufzeit zwischen der Aussendung eines elektrischen Impulses, der praktisch verzögerungsfrei, d.h. nahezu mit Lichtgeschwindigkeit die Ebene des beweglichen Magneten erreicht, und dem zugeordneten Ultraschallimpuls gemessen und in einem entsprechenden Abstand zwischen Wandler und Magnet umgerechnetThe well-known odometer is based on the principle that the electrical impulses generated by the electrical " Conductors, usually a copper conductor, pass through an annular magnetic field surrounding the conductor generate, which is superimposed in the area of the movable magnet with its magnetic field, so that for the duration of the passage of the electrical impulse through the magnetic field of the moving magnet results in a helical magnetic field, which in the A magnetostrictive tube arranged between the magnet and the conductor to generate an ultrasonic pulse which spreads in the direction of both pipe ends. The known odometer is now on the one end of the magnetostrictive tube placed an ultrasonic transducer attached to the movable magnet converts the resulting ultrasonic pulses into electrical signals, so that the transit time between the transmission an electrical impulse, which with practically no delay, i.e. almost at the speed of light, crosses the plane of the movable magnet reached, and the associated ultrasonic pulse measured and in a corresponding Distance between transducer and magnet converted

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werden kann. Der zum anderen Ende des magnetostriktiven Rohres laufende Ultraschallimpuls wird dort bei dem bekannten Wegmesser mit Hilfe spezieller Dämpfungseinrichtungen hinweggedämpft. can be. The one to the other end of the magnetostrictive Rohres running ultrasonic pulse is dampened there in the known odometer with the help of special damping devices.

Obwohl der bekannte Wegmesser im Prinzip eine günstige Möglichkeit für eine Wegmessung bietet, ist er in der Praxis nicht voll befriedigend, da der Einfluß der Umgebungstemperatur auf die Ultraschall-Fortpflanzungsgeschwindigkeit, in dem magnetostriktiven Rohr sowie gegebenenfalls auch auf die thermischen Längenänderungen desselben erheblich ist, so daß die Messergebnisse insgesamt mit temperaturabhängigen Ungenauigkeiten behaftet sind. Außerdem sind bei dem bekannten Wegmesser aufgrund von fertigungsbedingten Unterschieden in den Eigenschaften der Ausgangsmaterialien vor Inbetriebnahme erhebliche Eicharbeiten erforderlich.Although the known odometer in principle offers an inexpensive way of measuring a distance, it is in the Not completely satisfactory in practice, since the influence of the ambient temperature on the ultrasound propagation speed, in the magnetostrictive tube and possibly also on the thermal changes in length the same is significant, so that the measurement results overall with temperature-dependent inaccuracies are afflicted. In addition, the known odometer is due to manufacturing-related differences Considerable calibration work is required in the properties of the raw materials before commissioning.

Ähnliche Schwierigkeiten ergeben sich auch bei anderen Ausführungsformen dieses vorbekannten Wegmessers, bei denen das magnetostriktive Element zugleich als elektrischer Leiter für die von dem Impulsgenerator erzeugten elektrischen Impulse dient.Similar difficulties also arise with other embodiments of this previously known odometer which the magnetostrictive element also acts as an electrical conductor for the generated by the pulse generator electrical impulses are used.

Ausgehend vom Stande der Technik und der vorstehend aufgezeigten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten magnetostriktiven Wegmesser anzugeben, bei dem der Einfluß temperaturabhängiger Änderungen der Schall-Fortpflanzungsgeschwindigkeit in dem magnetostriktiven Element praktisch vollständig ausgeschaltet wird, wobei in Ausgestaltung der Erfindung zusätzlich die Möglichkeit besteht, auch temperaturabhängige Längenänderungen des magnetostrik-Based on the prior art and the problems outlined above, the object of the invention is based on specifying an improved magnetostrictive odometer in which the influence is temperature-dependent Changes in the speed of sound propagation in the magnetostrictive element are practical is completely switched off, and in an embodiment of the invention there is also the additional possibility temperature-dependent changes in length of the magnetostric

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tiven Elements sowie Änderungen der elektrischen Parameter der Auswerteschaltung in'ihrem Einfluß auf das Messergebnis vollständig zu kompensieren.tive element as well as changes in the electrical parameters of the evaluation circuit in'irem influence on the Compensate the measurement result completely.

Diese Aufgabe wird bei einem Wegmesser der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst,This object is achieved in an odometer of the type described at the outset according to the invention in that

daß mindestens eine bezüglich des Schallwandlers feststehende, mit dem magnetostriktiven Element zusammenwirkende Quelle zur Erzeugung von als Referenzimpulse dienenden Schallimpulsen vorgesehen ist und daß die Auswerteeinrichtungen derart ausgebildet sind, daß der zu messende Weg aus den elektrischen Meßsignalen in Abhängigkeit von der Laufzeit der Referenzimpulse ermittelbar ist.that at least one fixed with respect to the sound transducer, cooperating with the magnetostrictive element Source for generating sound pulses serving as reference pulses is provided and that the Evaluation devices are designed in such a way that the path to be measured is derived from the electrical measurement signals can be determined as a function of the transit time of the reference pulses.

Dabei kann die Quelle eine Reflexionsstelle an dem magnetostriktiven Element, insbesondere ein freies Ende desselben_/ sein oder ein zweiter Schallwandler oder, was besonders günstig ist, ein zweiter gegenüber dem magnetostriktiven Element feststehender Magnet, durch dessen Magnetfeld in Verbindung mit dem Magnetfeld der elektrischen Impulse auf dem Leiter Referenz-Schallimpulse in dem magnetostriktiven Element erzeugt werden.In this case, the same reflection point on the magnetostrictive element, in particular a free end of the source _/ or may be a second transducer or, which is particularly favorable, a second against the magnetostrictive element fixed magnet on by the magnetic field in conjunction with the magnetic field of the electrical pulses the conductor reference sound pulses are generated in the magnetostrictive element.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das magnetostriktive Element als Rohr ausgebildet ist und den elektrischen Leiter umgibt und wenn ein bezüglich eines mit dem Rohr gekoppelten Ultraschall-Wandlers feststehender, das magnetostriktive Rohr umgebender zweiter Magnet zur Erzeugung von als Referenzimpulsen dienenden Ultraschallimpulsen vorgesehen ist, wobei die Auswerteeinrichtungen dann derart ausgebildet sind, daß der zu messende Weg aus den elektrischen Meßsignalen in Abhängigkeit von der Laufzeit der am zweiten Magneten erzeugten Referenzimpulse ermittelbar ist. ' "9-It has proven to be particularly advantageous if the magnetostrictive element is designed as a tube and surrounds the electrical conductor and if one with respect to an ultrasonic transducer coupled to the tube Fixed second magnet surrounding the magnetostrictive tube for generating reference pulses serving ultrasonic pulses is provided, wherein the evaluation devices are then designed in such a way are that the path to be measured from the electrical measurement signals as a function of the running time of the am second magnet generated reference pulses can be determined. '"9-

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Der entscheidende Vorteil eines solchen Ultraschall-Wegmessers gemäß der Erfindung besteht dabei darin, daß jeder elektrische Impuls, der auf den von dem magnetostriktiven Rohr umgebenen elektrischen Leiter gegeben wird, nicht nur einen Ultraschall-Messimpuls in der Ebene des beweglichen Magneten auslöst, sondern zusätzlich einen Ultraschall-Referenzimpuls in der Ebene des feststehenden zweiten Magneten, so '-"'aß das Messergebnis nicht mehr in Abhängigkeit von der Messung einer temperaturabhängigen Laufzeit erhalten wird,The decisive advantage of such an ultrasonic odometer according to the invention is that that any electrical impulse given to the electrical conductor surrounded by the magnetostrictive tube not only triggers an ultrasonic measuring pulse in the plane of the moving magnet, but In addition, an ultrasonic reference pulse in the plane of the fixed second magnet, so '- "' ate that The measurement result is no longer obtained as a function of the measurement of a temperature-dependent transit time,

sondern durch einen Laufzeitvergleich zwischen der Schallimpulslaufzeit für den zu messenden Weg und der .Schallimpulslaufzeit für den bekannten Weg zwischen dem Ultraschall-Wandler und dem feststehenden zweiten Magneten. Durch diese Art der Messung wird aber der ' · Einfluß temperaturabhängiger Änderungen vollständig ausgeschaltet, wenn der Weg aus dem Verhältnis der Laufzeiten ermittelt wird.but by comparing the runtime between the Sound impulse transit time for the path to be measured and the .Sound pulse transit time for the known path between the ultrasonic transducer and the fixed second magnet. With this type of measurement, however, the '· Influence of temperature-dependent changes completely switched off when the way out of the ratio of Running times is determined.

Als besonders vorteilhaft hat es sich "dabei in Ausgestaltung der Erfindung erwiesen, wenn ein Taktgenerator zur Erzeugung von Zählimpulsen mit regelbarer Impulsfolgefrequenz vorgesehen ist, wenn für die Laufzeitmessung der Ultraschall-Messimpulse und der Ultraschall-Referenzimpulse jeweils ein für die Dauer des Zeitintervalls zwischen der Aussendung eines elektrischen Impulses durch den Impulsgenerator und dem Eintreffen des betreffenden Ultraschallimpulses am Ultraschall-Wandler mit dem Ausgang des Taktgenerators verbindbarer Impulszähler, nämlich ein Referenzimpuls-ZählerIt has proven to be particularly advantageous in an embodiment of the invention if a clock generator to generate counting pulses with a controllable pulse repetition frequency, if for the transit time measurement the ultrasonic measuring pulse and the ultrasonic reference pulse each one for the duration of the Time interval between the transmission of an electrical pulse by the pulse generator and its arrival of the relevant ultrasonic pulse on the ultrasonic transducer can be connected to the output of the clock generator Pulse counter, namely a reference pulse counter

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und. Messimpuls-Zähler vorgesehen ist, und wenn der Ausgang des für die Laufzeitmessung der Referenzimpulse vorgesehenen Referenzimpuls-Zählers derart auf den Eingang des Taktgenerators rückgekoppelt ist, daß eine Regelung der Ircpulsfolgefrequenz mit dem Ziel eines fest vorgegebenen Zählerstandes des Referenzimpulszählers als Maß für die Laufzeit jedes Ultraschall-Referenzimpulses durchführbar ist.and. Measurement pulse counter is provided, and if the output of the reference pulse for the transit time measurement provided reference pulse counter is fed back to the input of the clock generator in such a way that a Regulation of the pulse repetition frequency with the aim of a fixed, predetermined count of the reference pulse counter can be implemented as a measure of the transit time of each ultrasonic reference pulse.

Durch diese Ausgestaltung des Wegmessers gemäß der Erfindung ergibt sich der entscheidende Vorteil, daß der Zählerstand in dem Messimpuls-Zähler jeweils unmittelbar ein Maß für den zu messenden Weg ist, da von dem zu messenden Verhältnis zwischen Messimpuls-Laufzeit und Referenzimpuls-Laufzeit durch die Regelung der Frequenz der Zählimpulse das Ergebnis für die Messung der Referenzimpuls-Laufzeit zwangsweise konstant gehalten wird.This embodiment of the odometer according to the invention has the decisive advantage that the count in the measuring pulse counter is a direct measure of the distance to be measured, because of the ratio to be measured between the measuring pulse runtime and the reference pulse runtime by the control the frequency of the counting impulses, the result for the measurement of the reference impulse transit time is compulsorily constant is held.

Als vorteilhaft hat es sich auch erwiesen, wenn der Abstand zwischen dem Ultraschallwandler und dem feststehenden Magneten durch ein spezielles Verbindungselement ohne temperaturabhängige Längenänderungen, wie z.B. einen Invar-Stab, aufrechterhalten wird.It has also proven to be advantageous if the distance between the ultrasonic transducer and the stationary one Magnets through a special connecting element without temperature-dependent changes in length, such as e.g. an invar rod.

Gegebenenfalls kann auch ein Verbindungselement mit bestimmter Temperaturabhängigkeit verwendet werden, um eine gezielte Fehlerkompensation zu erreichen.If necessary, a connecting element with a certain temperature dependency can also be used, to achieve targeted error compensation.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigen:Further details and advantages of the invention are explained in more detail below with reference to drawings and / or are the subject of subclaims. Show it:

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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ultraschall-Wegmessers gemäß der Erfindung;1 shows a schematic representation of an ultrasonic displacement meter according to the invention;

Fig. 2 Impulsdiagramme für die elektrischen An- . Steuerimpulse des Wegmessers gemäß Fig. 1 sowie für die dadurch hervorgerufenen Ultraschallimpulse undFig. 2 pulse diagrams for the electrical supply. Control pulses of the odometer according to FIG. 1 as well as for the resulting ultrasonic pulses and

Fig. 3 ein Prinzip-Schaltbild wesentlicher Elemente einer Meß-Schaltung des Wegmessers gemäß Fig. 1 .3 shows a basic circuit diagram of essential elements of a measuring circuit of the odometer according to FIG. 1.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Impulsgenerator 10, mit dessen Hilfe auf einem elektrischen Leiter 12, desse'n vom Impulsgenerator 10 abgewandtes Ende auf Bezugspotential liegt, elektrische Impulse erzeugbar sind. Der elektrische Leiter 12 ist konzentrisch von einem Rohr 14 aus magnetostriktivem Material umgeben. Auf der Außenseite des Rohres sind zwei Magnete 16,18 angeordnet, nämlich ein beweglicher, erster Magnet 16, der in Längsrichtung des Rohres 14 verschiebbar ist, wie dies durch einen Doppelpfeil 2 0 angedeutet ist, und ein feststehender Magnet 18. Mit dem magnetostriktiven Rohr 14 ist ferner ein Ultraschall-Wandler 22 fest verbunden, der von dem feststehenden Magneten 18 einen fest vorgegebenen Abstand aufweist, der beispielsweise dadurch konstant gehalten werden kann, daß der Wandler 22 und der feststehende Magnet 18 über einen Invar-Stab 24 fest miteinander verbunden sind, der praktisch keine temperaturabhängigen Längenänderungen aufweist. Mit dem Ultraschall-Wandler 22 istIn detail, Fig. 1 shows a pulse generator 10, with the help of an electrical conductor 12, whose end facing away from the pulse generator 10 is at reference potential, electrical pulses can be generated are. The electrical conductor 12 is concentrically surrounded by a tube 14 made of magnetostrictive material. Two magnets 16, 18 are arranged on the outside of the tube, namely a movable, first magnet 16, which is displaceable in the longitudinal direction of the pipe 14, as indicated by a double arrow 2 0, and a fixed magnet 18. With the magnetostrictive tube 14 is also an ultrasonic transducer 22 firmly connected by the fixed magnet 18 has a fixed predetermined distance which can be kept constant, for example, in that the transducer 22 and the stationary magnet 18 are firmly connected to one another via an Invar rod 24, which has practically no temperature-dependent changes in length. With the ultrasonic transducer 22 is

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eine Meßschaltung 26 verbunden, der über einen zweiten Eingang auch die Impulse des Impulsgenerators 10 bzw. dazu synchrone Steuersignale zugeführt werden.a measuring circuit 26 is connected, which via a second input also receives the pulses from the pulse generator 10 or synchronous control signals are supplied for this purpose.

Wenn bei dem Wegmesser gemäß Fig. 1 vom Impulsgenerator 10 ein elektrischer Impuls auf den elektrischen Leiter 12 gegeben wird, dann läuft der. elektrische Impuls mit seinem zugehörigen, zu dem Leiter 12 konzentrischen Magnetfeld über den Leiter 12 nach Bezugspotential. Da die beiden Magneten 16 und 18 axiale Magnetfelder erzeugen, wird folglich beim Durchlauf jedes elektrischen Impulses über den Leiter 12 in der Ebene der Magneten 16 und 18 jeweils ein schraubenförmiges Magnetfeld erzeugt, welches in dem magnetostriktiven Rohr 14 zur Entstehung eines Ultraschallimpulses führt. Die Ultraschallimpulse von den Magneten 16 und 18 tref- j fen nach einer Laufzeit t-r bzw. t.„ bezogen auf den .Zeitpunkt t_n der Aussendung des elektrischen Impulses an dem Ultraschallwandler 22 ein, wie dies in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, wo die elektrischen Impulse E auf den Leiter 12 in einem oberen Impulsdiagramm dargestellt sind, während die zugeordneten Ultraschallimpulse U₁ £ und U._o von den Magneten 16 bzw. 18 in Ib Io If, in the odometer according to FIG. 1, an electrical pulse is given by the pulse generator 10 to the electrical conductor 12, then it runs. electrical impulse with its associated magnetic field concentric to the conductor 12 via the conductor 12 according to reference potential. Since the two magnets 16 and 18 generate axial magnetic fields, a helical magnetic field is generated in the plane of the magnets 16 and 18 when each electrical pulse passes over the conductor 12, which leads to the generation of an ultrasonic pulse in the magnetostrictive tube 14. The ultrasonic pulses from the magnets 16 and 18 j TREF fen after a running time t r and t, respectively. "Based on the .Zeitpunkt of the electric pulse to the ultrasound transducer 22 a t _n of transmission, as shown schematically in Fig. 2 , where the electrical pulses E on the conductor 12 are shown in an upper pulse diagram, while the associated ultrasonic pulses U ₁ £ and U. _o from the magnets 16 and 18 in Ib Io

einem unteren Impulsdiagramm gezeigt sind.shown in a lower timing diagram.

In der Meßschaltung 26 kann nunmehr aus dem Laufzeitverhältnis t_1c/t_1Q aufgrund der Tatsache, daß sich die Laufzeit für den fest vorgegebenen Weg zwischen dem Ultraschalle-Wandler 22 und dem feststehenden Magneten 18 einerseits und dem zu messenden VJeg zwischen demIn the measuring circuit 26 can now from the travel time ratio t _1c / t _1Q due to the fact that the travel time for the fixed path between the ultrasonic transducer 22 and the stationary magnet 18 on the one hand and the VJeg to be measured between the

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Schallwandler 22 und dem beweglichen Magneten 16 andererseits zueinander verhalten wie der fest vorgegebene Weg zu dem zu messenden Weg die Länge des zu messenden Weges ermittelt werden.Sound transducer 22 and the movable magnet 16 on the other hand relate to one another like the fixed path to the path to be measured the length of the path to be measured Can be determined.

Wenn nun in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung. wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, in der Meßschaltung 26 ein Taktgenerator 28 vorgesehen ist, mit dessen Ausgang zwei Zähler 30, 32 verbindbar sind, und zwar über zugeordnete elektronische Schalter 34, 36, die jeweils zum Zeitpunkt t„, d.h. beim Auftreten eines elektrischen Impulses E geschlossen werden, und die beim Auftreten der Ultraschallimpulse U_1fi, U₁„, d.h. nach der Laufzeit t₁₍- bzw. t_1ft geöffnet werden, dann ergeben sich am Ende eines Messvorganges in dem Messimpulszähler 30, der mit dem Schalter 34 verbunden ist, der nach der Laufzeit t_1g geöffnet wird, und in dem RefeIf now in an advantageous embodiment of the invention. As shown in FIG. 3, a clock generator 28 is provided in the measuring circuit 26, to the output of which two counters 30, 32 can be connected, namely via assigned electronic switches 34, 36, which are each set at time t ", ie when occurring of an electrical pulse E are closed, and which are opened when the ultrasonic _pulses U 1fi, U ₁ ", ie after the transit time t _{1 (} - or t _1ft , respectively, then result at the end of a measuring process in the measuring pulse counter 30, which is connected to the Switch 34 is connected, which is opened after the running time t _1g , and in the Refe

renzimpulszähler 32, der mit dem Schalter 36 verbunden ist, der nach der Laufzeit t_1g geöffnet wird, Zählerstände, die den Laufzeiten t.. _c bzw. t. _o entsprechenrenzimpulszähler 32, which is connected to the switch 36, which is _{opened after the running time t 1g} , counter readings that the running times t .. _c or t. _o correspond

Ib IoIb Io

und aus denen das Verhältnis der Laufzeiten errrechnet werden kann.and from which the ratio of the running times can be calculated.

Wenn nun der Taktgenerator 28 als Taktgenerator mit regelbarer Impulsfolgefrequenz ausgebildet ist, dann besteht die Möglichkeit, die Impulsfolgefrequenz des Taktgenerators 28 über eine Rückkopplungsleitung 38 in Abhängigkeit vom Zählerstand des Referenzimpulszählers 32 am Ende jedes Messvorgangs derart zu regeln, da'ß der Zählerstand des Referenzimpulszählers 32If now the clock generator 28 is designed as a clock generator with controllable pulse repetition frequency, then there is the possibility of setting the pulse repetition frequency of the clock generator 28 via a feedback line 38 to regulate depending on the count of the reference pulse counter 32 at the end of each measurement process in such a way that that the count of the reference pulse counter 32

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unabhängig von der temperaturabhängigen Laufzeit t..« am Ende jedes Messvorgangs stets einen fest vorgegebenen Wert hat - natürlich innerhalb der Regelgenauigkeit - so daß nunmehr keine Verhältnisbildung mehr durchgeführt werden muß, sondern nur noch eine Aus-Wertung des Zählerstandes in dem Zähler 30, da direkt ein Maß für die Länge des zu messenden Weges ist. Man erkennt, daß dadurch die Erzeugung eines analogen oder digitalen, linear mit der Länge des zu messenden Weges verknüpften Wegsignals erheblich vereinfacht wird.regardless of the temperature-dependent running time t .. « at the end of each measurement process always has a fixed value - of course within the control accuracy - so that no more relationship formation has to be carried out, but only an evaluation the counter reading in the counter 30, since it is a direct measure of the length of the path to be measured. Man recognizes that thereby the generation of an analog or digital, linear with the length of the path to be measured linked path signal is considerably simplified.

Zusätzlich bringt die Ausgestaltung gemäß Fig. 3 den entscheidenden Vorteil mit sich, daß driftabhängige Frequenzänderunqen des Taktgenerators ebenfalls kompensiert werden und daß die Meßschaltung und die Wandleranordnung unabhängig voneinander ausgewechselt •.werden können falls dies erforderlich ist, ohne daß umständliche Eich- und Einstellarbeiten erforderlich werden.In addition, the embodiment according to FIG. 3 has the decisive advantage that drift-dependent Frequency changes of the clock generator are also compensated and that the measuring circuit and the Converter arrangement can be exchanged independently of each other • .If necessary, without cumbersome calibration and adjustment work become necessary.

Weiterhin besteht bei dem erfindungsgemäßen Wegmesser die Möglichkeit, die Zählerstände für mehrere aufeinanderfolgende Messzyklen zu mitteln und so durch diese Mittelwertbildung für die Wegmessung eine verbesserte Auflösung zu erreichen. Außerdem gestattet die Mittelwertbildung eine exaktere Regelung der Impulsfolgefrequenz des Taktgenerators 28, wenn man die jeweiligen Zählerstände des Referenzimpulszählers 32 für mehrere Messzyklen addiert, wobei sich für die durch die Rückkopplung am Taktgenerator 28 eingestellte Impulsfolgefrequenz f folgende Gleichung ergibt:Furthermore, there is the odometer according to the invention the possibility of averaging the counter readings for several consecutive measuring cycles and thus through them Averaging for the distance measurement to achieve an improved resolution. It also allows averaging a more precise regulation of the pulse repetition frequency of the clock generator 28, if one has the respective Counter readings of the reference pulse counter 32 are added for several measuring cycles, whereby the feedback The pulse repetition frequency f set on the clock generator 28 results in the following equation:

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wobei ν = Ultraschall-Fortpflanzungsgeschwindigkeit im magnetostriktiven Rohr 14 (z.B. in nun/sec),where ν = ultrasonic propagation speed in the magnetostrictive tube 14 (e.g. in now / sec),

N = vorgegebener Zählerstand für Referenzimpulszähler 32 am Ende eines Messzyklus,N = specified count for reference pulse counter 32 at the end of a measuring cycle,

L = Referenzlänge - Abstand zwischen Ultraschall-Wandler 22 und feststehendem Magnet 18 {beispielsweise in mm),L = reference length - distance between ultrasonic transducer 22 and stationary magnet 18 {for example in mm),

k = Zahl der Messzyklen für einen Messwert.k = number of measuring cycles for a measured value.

Insgesamt bleiben bei dem erfindungsgemäßen Wegmesser die Vorteile des bekannten Ultraschall-Wegmessers, wie z.B. die Absolutwertmessung, die Verschleißfreiheit, die Verwendung eines passiven Verschiebestückes (beweglicher Magnet 16) usw. voll erhalten, während andererseits die bissherigen Mangel eines derartigen Wegmessers, nämlich die mangelnde Langzeitkonstanz der Bauelemente und die Temperaturabhängigkeit mit außerordentlich hoher Genauigkeit kompensiert werden. Dabei besteht für besonders genaue Wegmesser sogar noch die Möglichkeit, für eine gewisse Inhomogenität des magnetostriktiven Rohres, die zu unterschiedlichen Ultraschall-Fortpflanzungsgeschwindigkeiten in den einzelnen Rohrabschnitten führt, eine Linearitätskorrektur durchzuführen, beispielsweise durch Einspeichern einer entsprechenden Fehlerkurve in einen digitalenOverall, remain with the odometer according to the invention the advantages of the well-known ultrasonic distance meter, such as absolute value measurement, freedom from wear, the use of a passive sliding piece (movable magnet 16) etc. fully preserved, while on the other hand the snappy lack of such an odometer, namely the lack of long-term constancy of the Components and the temperature dependency are compensated with extremely high accuracy. Included For particularly accurate odometers, there is even the possibility of a certain inhomogeneity of the magnetostrictive tube leading to different ultrasonic propagation velocities in the individual pipe sections to carry out a linearity correction, for example by storing a corresponding error curve into a digital one

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Speicher und durch das Bewichten der ermittelten Differenz der Zählerstände entsprechend dieser gespeicherten Fehlerkurve.Memory and by weighting the determined difference the counter readings according to this stored error curve.

Claims (1)

HOEGER, STELLRECHTf.&'.P/öHOEGER, LEGAL RIGHTS & '. P / ö PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 ο · D 7000 STUTTGART 1PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 ο · D 7000 STUTTGART 1 A 44 780 b
k - 176A 44 780 b
k - 176 5. Oktober 19815th October 1981 Anmelder: Gebhard Balluff GmbH & Co. Feinmechanische Erzeugnisse Gartenstrasse 21 7303 NeuhausenApplicant: Gebhard Balluff GmbH & Co. Precision mechanical products Gartenstrasse 21 7303 Neuhausen Schutz ansprücheProtection claims 1. Magnetostriktiver Wegmesser mit einem Impulsgenerator zur Erzeugung elektrischer Impulse, die an einem magnetostriktiven Element, insbesondere längs eines parallel dazu verlaufenden elektrischen Leiters, entlanglaufen,· mit einem Magneten, der bezüglich des magnetostriktiven Elementes in eine dem zu messenden Weg entsprechende Lage bringbar ist, um in diesem durch Zusammenwirken mit dem Magnetfeld der den elektrischen Leiter durchlaufenden Impulse Schallimpulse, insbesondere Ultraschallimpulse, zu erzeugen, mit einem mit dem magnetostriktiven Element gekoppelten Schallwandler zum Umsetzen der Schallimpulse in elektrische Meßsignale und mit Auswerteeinrichtungen zum Ermitteln des zu messenden Weges aus den elektrischen Meßsignalen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine bezüglich des Schallwandlers (22) feststehende, mit dem magnetostriktiven Element (14) zusammenwirkende Quelle (18) zur Erzeugung von als Referenzimpulse zur Laufzeitmessung dienenden Sch all impulsen (U.. _ov 1. Magnetostrictive odometer with a pulse generator for generating electrical pulses that run along a magnetostrictive element, in particular along an electrical conductor running parallel to it, with a magnet that can be brought into a position corresponding to the path to be measured with respect to the magnetostrictive element, in order to generate sound impulses, in particular ultrasonic impulses, by interacting with the magnetic field of the impulses passing through the electrical conductor, with a sound transducer coupled to the magnetostrictive element for converting the sound impulses into electrical measurement signals and with evaluation devices for determining the path to be measured from the electrical measurement signals , characterized in that at least one source (18) which is fixed with respect to the sound transducer (22) and interacts with the magnetostrictive element (14) for generating sound pulses (U .. _ov 18) vorgesehen ist.18) is provided. fir a ··fir a ·· A 44 780 bA 44 780 b k - 71 - 2 -k - 71 - 2 - 5. Oktober 19815th October 1981 2. Wegmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 2 . Distance meter according to claim 1, characterized in that daß als Quelle für die Referenzimpulse das vom Schallwandler (22) abgewandte freie Ende des magnetostriktiven Elementes (14) vorgesehen ist.that as the source for the reference pulses that from Sound transducer (22) facing away from the free end of the magnetostrictive element (14) is provided. 3. Wegmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle ein weiterer, mit dem magnetostrik-3. odometer according to claim 1, characterized in that that as a source another, with the magnetostric ·■ tiven Element (14) gekoppelter Schallwandler vorge-· ■ tive element (14) coupled sound transducer upstream sehen ist, durch den Referenzimpulse erzeugbar sind.can be seen through the reference pulses can be generated. 4. Wegmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle für die Referenzimpulse ein zweiter Magnet (18) vorgesehen ist.4. odometer according to claim 1, characterized in that a second source for the reference pulses Magnet (18) is provided. 5. Ultraschall-Wegmesser zur linearen Wegmessung mit5. Ultrasonic distance meter for linear distance measurement with :■" · einem eigenen elektrischen Leiter für die elektri: ■ "· a separate electrical conductor for the electr schen Impulse des Impulsgenerators, mit einem den elektrischen Leiter umgebenden Rohr als magnetostriktivem Element und mit einem bezüglich des magnetostriktiven Rohres beweglichen ringförmigen Magnet sowie mit einem mit dem magnetostriktiven Rohr verbundenen Ultraschallwandler zum Umsetzen von in dem Rohr erzeugten Ultraschallimpulsen in elektrische Meßsignale nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle ein bezüglich des Ultraschallwandlers (22) feststehender, das magnetostriktive Rohr (14) umgebender zweiter Magnet (18) zur Erzeugung von als Referenzimpulse dienenden Ultraschallimpulsen (U₁₈) vorgesehen ist.cal pulses of the pulse generator, with a tube surrounding the electrical conductor as a magnetostrictive element and with an annular magnet movable with respect to the magnetostrictive tube and with an ultrasonic transducer connected to the magnetostrictive tube for converting ultrasonic pulses generated in the tube into electrical measurement signals according to claim 1, characterized in that characterized in that a second magnet (18), which is fixed with respect to the ultrasonic transducer (22) and surrounding the magnetostrictive tube (14), is provided _{as the source for generating ultrasonic pulses (U 18) serving as reference pulses.} A 44 780 bA 44 780 b k - 189 - 3 -k - 189 - 3 - 5. Oktober 19815th October 1981 6. Wegmesser nach Anspruch 1 oder 5/ dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgenerator (28) zur Erzeugung von Zählimpulsen regelbarer Impulsfolgefrequenz vorgesehen ist, daß für die Laufzeitmessung der Ultraschall-Messimpulse (U.,,) und6. odometer according to claim 1 or 5 / characterized in, that a clock generator (28) for generating counting pulses of controllable pulse repetition frequency it is provided that for the transit time measurement of the ultrasonic measuring pulses (U. ,,) and Ί DΊ D der ültraschallreferenzimpulse (U₁₈) jeweils ein für die Dauer des Zeitintervalls (t.., bzw. t-g) zwischen der Aussendung eines elektrischen Impulses (E) durch den Impulsgenerator (10) und dem Fintreffen des betreffenden Ultraschallimpulses (U₁₆, U₁₈) ^am Ultraschalltvandler (22) mit dem Ausgang des Taktgenerators (28) verbindbare Impulszähler (Referenzimpulszähler 32, Messimpulszähler 30) vorgesehen ist.of the ultrasonic reference pulses (U ₁₈ ) each one for the duration of the time interval (t .. or tg) between the emission of an electrical pulse (E) by the pulse generator (10) and the final hit of the relevant ultrasonic pulse (U ₁₆ , U ₁₈ ) ^{on the} ultrasonic transducer (22) with the output of the clock generator (28) connectable pulse counter (reference pulse counter 32, measuring pulse counter 30) is provided. 7.-Wegmesser nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (22) und der feststehende Magnet (18) über ein in seiner Länge temperaturunabhängiges Verbindungselement (24) miteinander verbunden sind.7.-odometer according to claims 4 to 6, characterized in that the ultrasonic transducer (22) and the fixed magnet (18) via a connecting element which is temperature-independent in its length (24) are interconnected. A 44 780 b k - 176A 44 780 b k - 176 27. JuIi 1981July 27, 1981 8. Wegmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtungen (26) einen Speicher mit den Daten einer Fehlerkurve bezüglich der Inhomogenitäten des magnetostriktiven Elementes (14) umfassen.8. odometer according to one of claims 1 to 7, characterized in that the evaluation devices (26) a memory with the data of an error curve with respect to the inhomogeneities of the magnetostrictive Include element (14). 9. Wegmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtungen (24) Schaltungseinrichtungen zur Mittelwertbildung aus mehreren Einzelmessergebnissen umfassen.9. odometer according to one of claims 1 to 8, characterized in that the evaluation devices (24) include circuit devices for averaging several individual measurement results.