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Die Erfindung betrifft einen magnetischen Verschiebungsfühler, insbesondere für mit Schwimmer arbeitende Pegelstandsmesser, der entlang der Messstrecke in gleichem Teilungsabstand vonein- ander angeordnete, magnetisch erregbare Kontakte aufweist, die mit einer Messschaltung verbunden sind und die durch eine über die Messstrecke verschiebbare Magnetarmatur erregbar sind.
Bei den bekannten magnetischen Verschiebungsfühlern ist der Teilungsabstand der Kontakte gleich dem Auflösungsvermögen, so dass für die Erfassung eines Verschiebungsweges von 1 m und einem Teilungsabstand und damit auch einem Auflösungsvermögen von 1 cm insgesamt 101 Kontakte erforderlich sind. Hiebei wird vom Magnet immer nur ein Kontakt, u. zw. jener, bei dem sich die Magnetarmatur befindet, erregt. Die an die Kontakte angeschlossene Messschaltung tastet auf einen Messbefehl die Kontakte der Reihe nach ab und gibt, solange der erste vom Magnet erregte Kontakt nicht erreicht wurde, je Kontakt einen Impuls ab, wobei die Impulse von einem Zähler gezählt werden. Der erste erregte Kontakt stellt das Zählen ab, so dass die Anzahl der gezählten Impulse den Verschiebeweg, beispielsweise den Pegel einer Flüssigkeit, in Zentimetern angibt.
Besonders bei der Messung grösserer Verschiebewege ist hiebei von Nachteil, dass eine grosse Anzahl kost- spieliger Kontakte erforderlich ist, die wesentlich teurer kommen als die übrige Elektronik. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass eine grosse Anzahl der Zuleitungen erforderlich ist und dass die Verdrahtung jedes einzelnen Messpunktes hohe Kosten an Material bei der Montage und für Lötarbeiten mit sich bringt, durch welche letztere überdies die Betriebssicherheit nachteilig beein- flusst wird.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, bei den mit magnetisch erregten Kontakten arbeitenden Pegelstands- bzw. Verschiebungsfühlern die Anzahl der einzubauenden Kontakte so weitgehend als möglich herabzusetzen, ohne dass dadurch der Messbereich oder das Auflösungsvermögen ver- ändert wird. Darüber hinaus soll auch die Anzahl der den Fühler mit dem Messsystem verbindenden Leitungsadern herabgesetzt werden und ermöglicht werden, dass die Betätigung des Fühlers mit einer verhältnismässig billigen Messschaltung durchführbar ist.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass bei einem Auflösungsvermögen k die Magnet- armatur aus h Magnetstrecken besteht, wobei der Wert h des Teilungsabstandes ein geradzah-
2k liges Vielfaches des Wertes k und grösser als 2k ist, die Magnetstrecken durch nichtmagnetische Strecken voneinander getrennt sind und der Wirkungsbereich der Magnetarmatur sich auf
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2k
Das von der Magnetarmatur erzeugte Magnetfeld ist diskontinuierlich, so dass es mehrere in seinen Wirkungskreis fallende Kontakte, abhängig von der momentanen Lage der Armatur, in verschiedenen Kombinationen anregen kann.
Um ein Auflösungsvermögen vom Wert k zu erreichen, genügt es die Entfernung zwischen benachbarten Kontakten, d. h. den Teilungsabstand h - grösser als k zu wählen, wobei der Wert h jedes geradzahlige Vielfache des Wertes k annehmen kann und grösser als 2k ist. Je grösser der Wert von k gewählt wird, desto grösser muss auch die Länge der Magnetarmatur sein, weil die Anregung von---+ l Kontakten ermöglicht werden muss. Es ist offensichtlich, dass bei gleichem
2k Auflösungsvermögen im Falle eines grösseren Teilungsabstandes mehrere Kombinationen für eine eindeutige Identifizierung der h-l Lagen erforderlich sind.
Auch im Falle der erfindungsgemässen Ausbildung des Verschiebungsfühlers werden bei Ab-
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die Messschaltung eine schrittweise Annäherung an den Messwert in Schritten von der Grösse h, worauf erst durch eine"Detailabtastung"der genaue Wert innerhalb eines Teilungsabstandes festgestellt wird. Diese Detailabtastung kann durch Ablesung der durch die Magnetarmatur erregten
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Kontaktkombination durchgeführt werden, wozu ein spezieller Gray-Kode ausgearbeitet wurde.
Dieser ordnet innerhalb einer Strecke der Grösse h jeder dem Auflösungsvermögen k entsprechenden Entfernung eine und nur eine erregte Kontaktkombination zu, d. h., dass die Messschaltung die Lage der Magnetarmatur im Verhältnis zur geschützten Kontaktreihe immer mit der Genauigkeit des Auflösungsvermögens k bestimmen kann.
Die Messschaltung kann zweckmässigerweise an den Träger der Kontakte montiert werden, so dass für die Verbindung mit der Messstation nur drei Leitungen erforderlich sind, wodurch die Kosten des den Fühler mit der Messstation verbindenden Kabels auf ein Minimum herabgesetzt werden, was z. B. im Falle eines Wasserstandsmessers mit grossem Messbereich von grosser Bedeutung ist. Der erfindungsgemässe Verschiebungsfühler eignet sich selbstverständlich nicht nur zum Wasserstandsmessen, sondern kann praktisch bei jeder andern Verschiebungsmessung vorteilhaft verwendet werden.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert, in der einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Fig. 1 zeigt den Querschnitt durch eine beispielsweise Anordnung der Kontaktreihe und eines Magnetschwimmers, Fig. 2 die relative Lage der Kontaktreihe und der Magnetarmatur im Falle von h = 4k und Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der das Prinzip der Doppelabtastung verwirklichenden Messschaltung.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel sind an einer Tragplatte --TL--, senkrecht zur
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einseitig abgeflachten Schutzrohr --N--, wobei die Kontakte --K-- an jener Seite der Tragplatte - liegen, die der Abflachung des Schutzrohres --N-- zugewendet ist. Das Schutzrohr --N--, das in die zu messende Flüssigkeit zweckmässigerweise senkrecht eintaucht, ist mit Spiel durch eine Öffnung eines den Magnet-P-- tragenden Schwimmers-U-hindurchgeführt, der praktisch unbehindert den Flüssigkeitsstandsschwankungen folgen kann.
Die obgenannte"Detailabtastung"wird dadurch ermöglicht, dass durch die sich der Kontaktreihe entlang bewegende Magnetarmatur bei Verschiebungen in Vielfachen vom Auflösungsvermögen k jeweils eine andere Kontaktkombination erregt wird, wobei bei einer Verschiebung um den Wert des Auflösungsvermögens ein erregter Kode nach einem speziell für diese Aufgabe ausgestalteten Gray-Kode jeweils immer nur ein Bit gegenüber dem vorangehenden Kode geändert wird. Jeder Stellung ist somit ein definierter statischer Kodewert zugeordnet.
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2massen : a) Befindet sich z.
B. der Wasserstand auf Nullniveau, so befindet sich der Schwimmer und darauf auch der Magnet in seiner untersten Stellung, so dass nur der Kontakt-K1-- erregt wird. b) Steigt der Wasserstand beispielsweise auf 1 cm, so werden die Kontakte-Kl und K3-- erregt. c) Bei einem Wasserstand von 2 cm werden die Kontakte-Kl, K2 und K3-- erregt. d) Bei einem Wasserstand von 3 cm werden die Kontakte-Kl und K2-- erregt. e) Bei einem Wasserstand von 4 cm wird der Kontakt --K2-- erregt, usw.
Werden die obigen Kombinationen in einer Tabelle zusammengefasst, in deren zweiten Spalte die einzelnen Ziffern von links nach rechts nacheinander den Erregungszustand der übereinander angeordneten Kontakte darstellen und "1" den erregten Zustand und "0" den unerregten Zustand bedeuten, so ergibt sich folgendes :
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Tabelle 1
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<tb>
<tb> Wasserstand <SEP> Kode <SEP> Die <SEP> dem <SEP> Kode <SEP> entsprechende
<tb> (cm) <SEP> Impulszahl <SEP> (Stück)
<tb> 5 <SEP> 01010 <SEP> 5 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 01000 <SEP> 4
<tb> 3 <SEP> 1100 <SEP> 3
<tb> 2 <SEP> 1110 <SEP> 2
<tb> 1 <SEP> 1010 <SEP> 1 <SEP>
<tb> 0 <SEP> 1000 <SEP> 0
<tb>
Bei der Messung ordnet die Messschaltung bis zur Beobachtung des ersten erregten Kontaktes in dem vorliegenden Beispiel je vier (im allgemeinen h) Ausgangsimpulse jedem angetasteten unerregten Kontaktpaar zu.
Der erste erregte Kontakt sperrt den Ausgang und die Messschaltung ordnet dem nächsten Kontakt einen einzelnen Ausgangsimpuls zu. Wenn nach dem ersten erregten Kontakt unmittelbar ein nächster erregter Kontakt folgt, kehrt sich die Funktion der Messschaltung nach der letzten Impulssendung um und ordnet jedem weiteren unerregten Zustand einen Ausgangsimpuls zu.
Durch diesen Betrieb kann der sich zyklisch wiederholende Kode eine kontinuierlich zunehmende Zahlenreihe herstellen.
Dasselbe Prinzip kann im allgemeinen im Falle eines Teilungsabstandes vom Wert h verwendet werden, wo der Wert h das beliebige ganze Vielfache von 2 ist.
Eine Veränderung des Teilungsabstandes zieht die Veränderung der Längenabmessung der Magnetarmatur nach sich.
Die kennzeichnenden Eigenschaften der zur Detailabtastung zweckmässig verwendbaren Koden sind die folgenden :
1. Es ist ein Gray-Kode vorhanden, d. h. eine Verschiebung je nach Längeneinheit, wobei sich der von den durch die Magnetarmatur erregten Kontakten gestaltete Kode immer nur mit einem Bit im Vergleich zum vorangehenden Zustand verändert.
2. Dieser Kode ist statisch auslesbar. Es spielt also keine Rolle, in welcher Richtung und
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h + 1 Stückenist.
4. Der Kode enthält eine Anzahl von 2 Kombinationen, welche voneinander abweichen.
5. Die Kombinationen folgen einander in einer solchen Reihenfolge, dass sie nach der letzten um eine Stelle (Kontakt) verschoben so oft wie gewünscht kontinuierlich von neuem be- ginnen können.
(Die einzelnen Kombinationen wiederholen sich je Teilungsabstand).
6. Der Kode kann nicht nur"0"enthalten, d. h. es ist ausgeschlossen, dass alle Kontakte gleichzeitig unerregt sind.
7. In der niedrigeren Hälfte eines Zyklus des verwendeten Kodesystems folgt nach der ersten "1" immer eine "0", während in der höheren zur grösseren Ausgangsimpulszahl ge- hörigen Hälfte nach der ersten "1" immer wieder eine "1" folgt.
8. Der Kode beginnt, von der niedrigeren Seite gesehen, immer mit "1".
In nachfolgender Tabelle ist je ein Zyklus einiger weiterer Möglichkeiten kleinerer Elementenzahl des die obigen Bedingungen befriedigenden Kodesystems dargestellt, wobei die Reihen immer bis zu jener Kontaktzahl gezeichnet sind, die dem Wert 2 entspricht, da sich die Detailabtastung auf ebensoviele Kontakte erstreckt.
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<tb>
<tb> h <SEP> = <SEP> 2 <SEP> 11 <SEP> h <SEP> = <SEP> 4 <SEP> 1100 <SEP> h <SEP> = <SEP> 6 <SEP> 110000 <SEP> h <SEP> = <SEP> 8 <SEP> 11000000
<tb> 10 <SEP> 1110 <SEP> 111000 <SEP> 11100000
<tb> 1010 <SEP> 111100 <SEP> 11101000
<tb> 1000 <SEP> 101100 <SEP> 11111000
<tb> 100100 <SEP> 10111000
<tb> 100000 <SEP> 10110000
<tb> 10100000
<tb> 10000000
<tb>
Die Reihen stellen von unten nach oben die Verschiebung der Magnetarmatur je Einheit vom kleineren zum grösseren Wert dar, während die Spalten von links nach rechts den zu dem von den einzelnen Reihen bestimmten, gemessenen Wert gehörigen Zustand je eines Kontaktes angeben.
Die geometrischen Abmessungen der Magnetarmatur können unter Berücksichtigung der folgenden Faktoren bestimmt werden.
1. Der Polabstand N-S, d. h. die Breite der Magnete, ist von gleicher Grössenordnung wie die Länge der Kontakte.
2. Die zur Ebene der Kontakte senkrechte Abmessung der Magnete kann beliebig sein.
3. Die Längen und die Entfernungen der Magnete voneinander können auf Grund der weiter unten dargestellten Tabelle 2 bestimmt werden, wobei unter der effektiven Länge eines
Magnetes jene Entfernung verstanden werden soll, die der Magnet bei gleichgerichteter
Bewegung vom Schliessen bis zum Öffnen des Kontaktes zurücklegt. Diese Länge ist im wesentlichen der zur gegebenen Anordnung gehörige Wirkungsbereich des Magnetes, be- zogen auf die Ebene der Kontakte. Im allgemeinen stimmt diese mit den geometrischen
Abmessungen des Magnetes nicht überein.
4. Eine Magnetarmatur ist nur für eine Art von Kontaktreihen mit einem gegebenen Teilungs- abstand der Grösse h geeignet.
5. Die Bestimmung der Längenabmessungen der Magnetarmatur kann nach der Wahl des Tei- lungsabstandes h (gemäss Punkt 4) bzw. des Auflösungsvermögens k folgenderweise durchge- führt werden : a) Die Tabelle 2 ist mit Reihen der Anzahl h. h und mit Spalten der Anzahl h zusammen- gestellt.
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6. Die in dieser Weise ausgestaltete Magnetarmatur soll der Kontaktreihe entlang so ange- ordnet werden, dass die längste Magnetstrecke in Richtung des Beginns der Abtastung unten liegt.
Bei der obigen Ausführung, bei der das Auflösungsvermögen k = 1 cm und der Teilungsabstand h = 4 cm beträgt, besteht die Magnetarmatur aus einer Magnetstrecke von sechs Einheiten und einer von zwei Einheiten, wobei sich zwischen den beiden Einheiten ein nichtmagnetisches Intervall von drei Einheiten gemäss der in Tabelle 2 angegebenen Weise befindet, wobei die Bedeutung der einzelnen Ziffern identisch mit jener der Tabelle 1 ist.
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Dem Auflösungsvermögen der Magnetarmatur entsprechend, weist der Zähler --R-- die Basis h/k auf. Die Basis der Zähler--F-ist identisch mit der Anzahl der Eingänge des Abtastkreises --M--. Der Zähler --H-- ist von beliebiger Basis. Der Messbereich des Gerätes ist das Produkt der Basen der Zähler-R, F und H-.
Falls alle Stromkreise gemäss Fig. 3 im Schutzrohr--N'- (Fig. l) angeordnet sind, was technisch leicht durchführbar ist, wird nur ein vieradriges Kabel zwischen dem Fühler und der Messstation benötigt. Wenn auf die unmittelbare Druckknopfbetätigung der Messschaltung verzichtet wird, sind nur drei Verbindungsleitungen erforderlich.
Der erfindungsgemässe Verschiebungsfühler kann nicht nur für Pegelstandsmessungen, sondern auch überall dort verwendet werden, wo eine Verschiebung irgendeines Körpers gegenüber einer Skala gemessen werden soll, welche mit einer Kontaktreihe versehen werden kann. So kann er beispielsweise für die Ablesung von Waagen verwendet werden. Die Kontakte können auch entlang gekrümmter Linien, beispielsweise kreisbogenförmig angeordnet sein. Die Magnetarmatur kann anstatt an einem Schwimmer auch an einem um eine Achse verdrehbaren Hebel und die geschützten Kontakte können in Form einer Skala angeordnet sein.