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Messanordnung unter Verwendung einer in einem Luftspalt zwischen zwei Weicheisenkernteilen fest angeordneten Hall-Sonde
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung unter Verwendung einer in einem Luftspalt zwischen zwei
Weicheisenkernteilen fest angeordneten Hall-Sonde und eines Magneten, der relativ zu den beiden Kern- teilen bewegbar angeordnet ist, wobei die Stirnflächen der von der Hall-Sonde abgewandten Enden der beiden rechtwinklig ausgebildeten undU-förmig angeordneten Kernteile zusammen mit demquerzu seiner
Länge gepolten Stabmagneten einen Luftspalt bilden und in der Mittelstellung des Stabmagneten die Enden desselben etwa über der Mitte der Stirnflächen dieser Kernteile liegen.
Hall-Generatoren werden in erster Linie zur Ausmessung von Magnetfeldern verwendet, wobei mittels der Hall-Spannung die verschiedenen das magnetische Feld beeinflussenden Grössen gemessen werden können. Eine solche Beeinflussung besteht beispielsweise bei der vorgenannten Ausführung der relativ zueinander bewegbaren Anordnung von Magnet und Weicheisenkernteilen.
Ferner wurde in einer älteren Patentanmeldung der Patentinhaberin schon vorgeschlagen, einen Hall- Generator zur Wegmessung heranzuziehen. Dabei ist es erwünscht, dass die Hall-Spannung möglichst genau dem zu messenden Weg proportional ist. Diese Bedingung konnte nach der älteren Anmeldung weitgehend dadurch erfüllt werden, dass die Hall-Sonde selbst zwischen zwei entgegengesetzt gerichteten Teilmagnetfeldern bewegt wird.
Solche Verhältnisse lassen sich jedoch nicht dann ohne weiteres erzielen, wenn man, wie eingangs erwähnt, Magnet und Weicheisenkernteile relativ zueinander bewegt. In diesem Fall ergeben sich Kurven, die zwar entgegengesetzt und symmetrisch zu einer Mittellage verlaufen können, jedoch nicht ohne weiteres eine regelmässige Form haben. Bei Versuchen wurde z. B. die Form einer angenäherten Sinoide ermittelt.
Es ist aber vor allem dann, wenn die Messwerte in anschliessenden Rechenvorgängen weiterverarbeitet werden sollen, von besonderem Vorteil, wenn die Hall-Spannung einer bestimmten, rechnerisch leicht zu beherrschenden Funktion des zu messenden Weges folgt. In Weiterentwicklung der eingangs erwähnten Ausführungsform wird daher erfindungsgemäss eine Messanordnung vorgeschlagen, bei welcher der Magnet zur Änderung seines Normalabstandes von den Stirnflächen der Kernteile in Abhängigkeit von seiner Auslenkbewegung aus der Mittelstellung zwangsläufig parallel zu sich selbst und senkrecht zu den Stirnflächen der Kernteile geführt ist. Regelmässig wird der Magnet selbst bewegt, so dass die Kernteile und die HallSonde fest vorgesehen werden können. Grundsätzlich kann jedoch auch die umgekehrte Ausführungsform gewählt werden.
Der Luftspalt lässt sich jetzt in beliebiger Weise derart ändern, dass sich die für den jeweiligen Zweck gewünschte Funktion der Hall-Spannung ergibt. Meist ist es zweckmässig, eine solche Abstimmung der Luftspaltänderung auf die Auslenkung des Magneten herbeiführen, dass die Hall-Spannung der Auslenkung aus der Null-Lage wenigstens annähernd proportional ist. Mitunter kann es jedoch auch erwünscht sein, z. B. eine Anderung entsprechend dem Quadrat, einer Wurzel oder eines logarithmischen Wertes des Weges herbeizuführen.
Magnet und Kernteile sollen möglichst symmetrisch ausgebildet werden, und der Luftspalt für die Aufnahme der Hall-Sonde wird zweckmässig in der Symmetrieebene der Kernteile angeordnet. Einen recht exakten Ausgleich erhält man dabei, wenn der Magnet an wenigstens zwei Punkten in gleich ausgebildeten und symmetrisch zu einer Mittelebene verlaufenden Kurvenführungen geführt ist. Die Kurvenformen können rechnerisch oder experimentell sehr genau ermittelt werden, so dass die gemessene Hall-Spannung keine Abweichungen vom Sollwert mehr aufweist.
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Für die meistenAnwendungsfälle ist es jedoch ausreichend, wenn ein Koppelgetriebe zur Anwendung kommt, das die ideale Kurve so weit nachsteuert, dass die verbleibenden Abweichungen vernachlässigbar klein werden. Oftmals kommt man mit einem sich der Kurve anschmiegenden Kreisbogen aus und kann dann den Magnet als Koppel eines Parallelogrammlenkergetriebes ausbilden, wobei die Länge der Lenker dem Radius des ermittelten Kreisbogens entspricht. Kleine Abweichungen von der Kreiskurve lassen sich z. B. dadurch korrigieren, dass man die Lenker durch zwei gleich ausgebildete und parallel angeordnete Blattfedern ersetzt. Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich, wenn man die Blattfedern am Magneten und/oder an der Lagerstelle fest einspannt.
Man kann auch weiterverzweigte Koppelgetriebe mit starren und gemischten starren und federnden Gliedern verwenden, z. B. lassen sich bei vertretbarem Aufwand für einige Zwecke recht brauchbare Ergebnisse erzielen, wenn der Magnet über ein Kniehebel-Parallelogramm-Getriebe gelagert wird, das durch eine gerätefest gelagerte Schwinge geführt wird.
Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung ausführlich erläutert werden. Es zeigt zunächst Fig. 1 in schematischer Darstellung eine bekannte Anordnung einer Hall-Sonde mit einem relativ zu den Weicheisenkernteilen bewegbaren Magneten. Fig. 2 zeigt ein Prinzip-Schaltbild für die Hall-Sonde und Fig. 3 verschiedene Kurven zur Ermittlung der Luftspaltkorrektur. Die Fig. 4 - 7 veranschaulichen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung, u. zw. zeigen Fig. 4 die Führung eines Magneten über Kurvengetriebe, Fig. 5 die Lagerung des Magneten mittels eines Parallel- Kurbelgetriebes, Fig. 6 die Aufhängung an Blattfedern und Fig. 7 ein Kniehebel-Parallel- Kurbelgetriebe als Abwandlung zur Ausführungsform gemäss Fig. 5.
Bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten Anordnung ist mit 1 ein Stabmagnet bezeichnet, der insenkrechter Richtung, d. h. quer zu seiner Länge, gepolt ist. 2 und 3 sind zwei rechtwinkelig ausgebildete Kernteile, deren oben liegende Stirnflächen 4 jeweils einen Abstand a vom Magneten 1 haben und mit diesem einen Luftspalt 8 bilden. Ihre unten liegenden Stirnflächen 5 schliessen einen Luftspalt 6 ein, in dem eine Hall-Sonde 7 aus bekanntem Halbleiterwerkstoff, vorzugsweise Indium-Arsenit, angeordnet ist. Hall-Sonde und Kernteile sind fest vorgesehen, während der Magnet 1 etwa über eine Koppelstange 9 in Richtung des Doppelpfeiles 10 nach s + oder s-bewegt werden kann.
Die Kernteile 2,3 sind gleich ausgebildet und symmetrisch zu einer durch die Hall-Sonde 7 gelegten
Mittelebene 11 angeordnet. Auch der Magnet 1 nimmt nach Fig. 1 eine Mittelstellung ein, in der er symmetrisch zur Ebene 11 liegt. Er ist so lang ausgebildet, dass seine Enden la und 1b dabei in die Mitte der Stirnflächen 4 zu liegen kommen. Im Überdeckungsbereich treten im wesentlichen parallellaufende und gleichgerichtete Kraftlinien 12 durch den Luftspalt 8 in die Kernteile 2 und 3 ein. Auch die Streukraftlinien 12a verlaufen regelmässig und symmetrisch zur Mittelebene 11. Auf die Hall-Sonde 7 im Luftspalt 6 wirken daher von entgegengesetzten Seiten gleich starke magnetische Kraftfelder ein, die sich in ihrer Wirkung aufheben.
Die Hall-Sonde 7 ist, wie sich aus Fig. 2 entnehmen lässt, in bekannter Weise über Leitungen 13, 14 an eine Spannungsquelle Ub angeschlossen und wird in Richtung des Pfeiles 15 von einem Steuerstrom is durchflossen. Über senkrecht zur Richtung des Stromes is an der Hall-Sonde angeschlossene Leitungen 17, 18 lässt sich dann die Hall-Spannung Uh abnehmen, die in der in der älteren Patentanmeldung beschriebenen Weise für verschiedene Steuerzwecke herangezogen werden kann.
In der Stellung nach Fig. l hat die Hall-Spannung den Wert Null, Wird jedoch der Magnet 1 über die Koppelstange 9, z. B. in Richtung + s. ausgelenkt, so steigt die Grösse der Überdeckungsfläche im Luftspalt 8 über Kernteil 3, während sie über dem Kernteil 2 kleiner wird. Der die Kernteile im Uhrzeigersinn durchfliessende Magnetfluss cl l ist entsprechend grösser als der entgegengesetzt gerichtete Magnetfluss $ 2. Die Differenz wirkt nach Grösse und Richtung auf die Hall-Sonde 7 ein, so dass sich z. B. eine positive HallSpannung Uh ergibt, die ein Mass für die Richtung und Grösse der Auslenkung des Magneten l aus seiner Mittelstellung ist.
Falls die Streukraftlinien 12a vernachlässigt werden könnten, wäre auch die Differenz der Magnetflüsse und damit die abgegebene Hall-Spannung proportional dem Weg des Magneten l. Tatsächlich hat der Streufluss durch 12a jedoch erheblichen Einfluss auf die Hall-Spannung und bewirkt eine stetige Änderung des Verhältnisses Uh/s beim Verschieben des Magneten.
In Fig. 3 ist über dem Weg s die tatsächlich erzielte Hall-Spannung Uh aufgetragen. Uho ist die ideale Spannung, die nach einem bestimmten Gesetz verlaufen soll. Es sei angenommen, dass Uho proportional zu s sein soll. Zwischen beiden Kurven lässt sich dann unmittelbar A Uh abgreifen. Jetzt kann durch Rechnung oder Versuche die Luftspaltänderung A a ermittelt werden, die über jedem Punkt von s aufgetragen die Kurve 19 ergibt.
Nach Fig. 4 sind die Kernteile 2,3 zwischen zwei Kunststoffplatten 20 angeordnet, von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist. An beiden Enden des Magneten l sind symmetrisch zwei Stifte 21, 22
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vorgesehen, die in Schlitzen 23, 24 der Platten 20 geführt sind. Die Form der Schlitze 23, 24 entspricht exakt derjenigen der Kurve 19.
Wenn daher der Magnet 1 über die Stange 9 aus der Mittelstellung in Fig. 4 nach rechts oder links verschoben wird, so wird gleichzeitig der Anker parallel zu sich den Kernteilen 2, 3 genähert, wobei sich die Breite a des Luftspaltes 8 derart verringert, dass die Differenz der Magnetflüsse t 1 und q, 2 und damit auch die ermittelte Hall-Spannung derAuslenkung f aus der Mittellage stets proportional ist.
Zur angenäherten Nachsteuerung der Kurve 19 genügt es mitunter, einen Kreis als Steuerkurve zu verwenden, der sich der Kurve 19 möglichst weitgehend anschliesst. Zum Beispiel kann die Mittellinie der Schlitze 23, 24 etwa einem Kreis 25 entsprechen, dessen Mittelpunkt bei 26 bzw. 26a für den Schlitz 24 liegt. Der Radius sei mit 27 bezeichnet. Dann erhält man eine verhältnismässig einfache Nachsteuerung, wenn entsprechend Fig. 5 zwei gleich lange Hebel 28 an den Stiften 21, 22 angelenkt und an ihrem
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gerätefest gelagert werden. Diese HebelKurbelgetriebe, so dass dieser nahezu die gleiche Bewegung wie nach Fig. 4 ausführt.
Mit unterbrochenen
Linien ist mit 28a noch ein anderes Hebelpaar bezeichnet, das bei 29 bzw. 29a gelagert sein kann und eine wesentlich andere Gesetzmässigkeit für die Bewegung des Magneten 1 und damit den Verlauf der ab- gegebenen Hall-Spannung ergibt. Hebellänge und-lagerung müssen jeweils den vorliegenden Anforderun- gen angepasst werden.
Gemäss Fig. 6 sind an Stelle der Hebel 28 Blattfedern 30 verwendet, die an einem Ende an dem Ma- gneten, am andern Ende gerätefest angeschlossen sind. Nach der Zeichnung sind die Blattfedern an beiden
Enden eingespannt. Dabei ergibt sich ein von der Kreiskurve abweichender korrigierter Weg, u. zw. nimmt hier die Krümmung der Kurve nach den Enden zu. Es können auch beliebige Mittelwege eingeschlagen werden, indem man z. B. die Blattfedern mit dem Magneten durch ein Gelenk verbindet oder sie am Ma- gneten einspannt und über Gelenke am Gerätekörper lagert. Auch die mit 30a bezeichnete Umkehrung der Federn ist ohne weiteres möglich, falls eine umgekehrt verlaufende Kurve nachgesteuert werden soll.
Eine weitere Ausführungsform zeigt Fig. 7. Dort sind an einem Gerätegrundbrett 31 in Lagern 32, 33 zwei Kniehebel 34, 35 gelagert, deren zugeordnete Kniehebel 36, 37 an den Stiften 21, 22 des Magneten angelenkt sind. Beide Kniegelenke sind durch eine Stange 41 verbunden. An einem verlängerten Arm 37a des Kniehebels 37 greift noch eine Schwinge 38 an, die schwenkbar in einem gerätefestenLager39sitzt.
Der Stift 22 wird ebenso wie der Stift 21 und damit der gesamte Magnet 1 auf einer Kurve 40 geführt, die durch Abstimmung der einzelnen Hebellängen vielfältige Formen annehmen kann und eine weitgehende Anpassung an unterschiedliche Kurven 19 gemäss Fig. 3 ermöglicht.
Die vorgenannten Ausführungsformen sind nur als Beispiel gedacht. Es können beliebige andere be- kannte Getriebe zur Anwendung kommen, wobei z. B. federnde und starre Glieder gemeinsam vorzusehen sind. Die Wahl des speziellen Getriebes ist unter anderem bestimmt durch die erforderliche Genauigkeit der Nachsteuerung, durch den möglichen Aufwand und durch die zulässigen Reibungsverluste. Es sind jedoch genügend Getriebeformen verfügbar, um für jeden erforderlichen Zweck eine befriedigende Nachsteuerung zu ermöglichen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Messanordnung unter Verwendung einer in einem Luftspalt zwischen zwei Weicheisenkernteilen fest angeordnetenHall-Sonde und eines Magneten, der relativ zu den beiden Kernteilen bewegbar angeordnet ist, wobei die Stirnflächen der von der Hall-Sonde abgewandten Enden der beiden rechtwinklig ausgebildeten und U-förmig angeordneten Kernteile zusammen mit dem quer zu seiner Länge gepolten Stabmagneten einen Luftspalt bilden und in der Mittelstellung des Stabmagneten die Enden desselben etwa über der Mitte der Stirnflächen dieser Kernteile liegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (1) zur Änderung seines Normalabstandes (a) von den Stirnflächen (4) der Kernteile (2, 3) in Abhängigkeit von seiner Auslenkbewegung aus der Mittelstellung zwangsläufig parallel zu sich selbst und senkrecht zu den Stirnflächen (4)
der Kernteile geführt ist.