Messgeber für Fernübertragung
Die Erfindung löst die messtechnische Aufgabe der Stellungsanzeige, wie sie z. B. auftritt bei der Fernübertragung des Höhenstandes eines kleinen Schwebekörpers von einem Schwimmermesser, wobei der Schwebekörper zwischen Grenzen bewegt wird, die seine Grösse um ein Vielfaches übertreffen.
Es sind Stellungsanzeigegeräte bekanntgeworden, die den Höhenstand eines solchen Schwebekörpers sofern er aus ferromagnetischem Material besteht zur Anderung des induktiven Widerstandes einer stromdurchflossenen Spule verwenden und die die aus dem veränderten induzierten Widerstand sich ergebenden elektrischen Messgrössen über bekannte Brücken-oder Differentialtransformatorschaltungen auf elektrischen Anzeigegeräten abzulesen oder als Impulse zur Einleitung von Steuer- oder Regelvorgängen zu benutzen gestatten. Man verwendet hierzu normale zylindrische Induktionsspulen, in die ein mehr oder weniger tief eintauchender Eisenkern, dessen Länge etwa der Spulenlänge entspricht, den veränderten Induktionswert erbringt. Hier wird also einfach die Induktivitätsänderung gemessen, die sich beim Eintauchen des Kernes in eine solche Spule ergibt.
Eine andere Gruppe von Messverfahren verwendet zwei gleichachsig angeordnete Spulen, deren Induktivitäten miteinander verglichen werden, während der Kern mehr in die eine oder mehr in die andere Spule eintaucht.
Bei diesen Obertragungsarten sind lange Eisenkerne erforderlich, die etwa die gleiche Länge wie die Messspule haben müssen. Dies bedeutet praktisch, dass die Kern- oder Schwebekörperlänge bei längeren Messwegen viel zu lang wird. Hierdurch ist die Anwendungsmöglichkeit dieser Verfahren begrenzt. Beispielsweise ist es mit ihnen nicht möglich, den Höhenstand eines nur 3 cm langen Rotameterschwimmers anzuzeigen, wenn der Schwimmer seine Stellung um 30 cm verändern kann. Man könnte dann höchstens an dem Schwimmer einen 30 cm langen Eisenstab befestigen und denselben in eine ebenso lange Spule eintauchen lassen. Dieser lange Stab bzw. die meist erforderliche Führung bringen zusätzliche Reibungen mit sich, so dass die vorzügliche Eigenschaft der reibungsfreien Messung des Rotameters verlorengeht.
Die Erfindung beseitigt diese Nachteile und betrifft einen Messgeber für Fernübertragung, welcher Geber mit einer Induktionsspule und einem deren induktiven Widerstand ändernden, unter dem Einfluss der zu messenden Grösse lageveränderlichen Körper versehen ist und sich dadurch auszeichnet, dass die Induktionsspule eine in Längsrichtung abnehmende Wicklungsdichte und der lageveränderliche Körper im Spuleninnern nur einen Bruchteil der Länge der Spule oder des Messweges aufweist.
Der Eisenkern erhöht bekanntlich den induktiven Widerstand einer Spule, und dieser Induktivitätszuwachs ist um so grösser, je grösser die Wicklungsdichte der Spule selbst oder der Stelle in der Spule ist, an der sich gerade der Eisenkern im Spuleninnern befindet. Es ist auf diesem Wege möglich, die Bewegung resp. jeweilige Stellung eines kleinen Eisenkernes auch in einer sehr langen Spule zu verfolgen, indem der induktive Widerstand dieser Spule gemessen wird.
Eine Induktionsspule mit allmählich in Längsrichtung zunehmender Wicklungsdichte kann beispielsweise aus einzelnen Lagen in Form von zylindrischen Drahtspiralen aufgebaut sein, bei denen die Steigung der Wendel in Längsrichtung stetig immer kleiner wird. Man erhält aber bei Verschieben des Kernes auch dann eine gleichmässige Zunahme der Induktivität, wenn man die Wicklungsdichte nicht stetig, sondern stufenweise erhöht, was z. B. dann geschieht, wenn man die Spulen aus Teilspulen zusammensetzt, die sich durch unterschiedliche Länge oder unterschiedliche Lagenzahl unterscheiden.
Es können also Stufenspulen verwendet werden, die aus mehreren konzentrischen ineinander gesteckten Teilspulen mit stufenweise abnehmender Länge bestehen. Der einfachste Spulenaufbau ergibt sich dabei, wenn man die Lagenzahl aller Teilspulen gleich macht. Es wurde nämlich gefunden, dass es möglich ist, allein durch eine Abstufung der Teilspulenlänge die Wicklungsdichte in einer messtechnisch ausreichenden Gleichmässigkeit zu variieren. Es ist bei dieser Anordnung zweckmässig, die längste Teilspule als innerste Spule zu verwenden. Bei dieser Anordnung ist der Längsunterschied benachbarter Teilspulen als Stufenlänge zu betrachten.
Es sind auch Stufen spulen möglich, bei denen mehrere gleichachsig angeordnete kurze Teilspulen mit von Teilspule zu Teilspule zunehmender Lagenzahl aneinandergereiht werden. Je nachdem, wie man die Lagenzahl bzw. Wicklungsdichte der hintereinander folgenden Teilspulen abstuft bzw. welche Länge man den einzelnen Teilspulen gibt, kann man den Zusammenhang zwischen der Stellung des Kernes und der Induktivität der Stufenspulen beeinflussen.
Als Stufenlänge ist hier also die Länge der Teilspulen zu verstehen. Der einfachste Aufbau ergibt sich, wenn man allen Teilspulen gleiche Länge gibt.
Beide Ausführungsformen der Stufenspule erbringen eine ausreichend gleichmässige Charakteristik für die Änderung der Induktivität, wenn man die Länge der Stufen etwa in der Grössenordnung der Kernlänge wählt. Man kommt dann mit einer relativ kleinen Stufenzahl aus. Die Stufenlänge sollte aber nicht mehr als das 2fache der Kernlänge betragen.
Die Wicklungsdichte der einzelnen Stufen kann so abgestimmt werden, dass die Induktivität der gesamten Stufenspule bei Bewegung des Kernes von einem Ende zum andern stetig und linear zunimmt.
Die elektrische Zusammenschaltung der Teilspulen erfolgt vorteilhafterweise in Serienschaltung, zumal ein hoher Ohmscher Widerstand für die meisten Messverfahren günstig ist.
Als besonders geeignete Messeinrichtungen, um die Induktivität der Messspulen zur Anzeige zu bringen, sind bekannte Differenzmessverfahren vorgesehen, z. B. induktive Messbrücken oder Differentialtransformatorschaltungen. Diese Einrichtungen lassen sich auch noch für Vergleichsmessungen derart benutzen, dass die Induktivitäten von zwei mit zunehmender Wicklungsdichte ausgestatteten Spulen mit beweglichem Kern verglichen werden.
In der beiliegenden Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele von erfindungsgemässen Spulen mit unterschiedlicher Wicklungsdichte dargestellt, und zwar zeigt:
Fig. 1 eine mit ungleicher Dichte gewickelte ungestufte Spule mit Kernanordnung im Schnitt,
Fig. 2 eine Stufenspule, die aus mehreren ineinandergeschobenen Teilspulen besteht, teilweise im Schnitt und teilweise in Ansicht,
Fig. 3 eine Stufenspule, bei der mehrere Teilspulen nebeneinandergereiht sind, ebenfalls teilweise im Schnitt und teilweise in Ansicht.
In Fig. 1 bedeutet 1 das nach oben sich leicht konisch erweiternde Strömungsrohr eines Strömungsoder Durchflussmessers. In dem Strömungsrohr befindet sich ein Schwebekörper 2, der ganz oder teilweise aus ferromagnetischem Material besteht und als Kern auf die um das Strömungsrohr 1 gelegte Induktionsspule 3 einwirkt. Die Induktionsspule 3 zeigt in ihrem untern Ende 4 eine wesentlich geringere Wicklungsdichte als am obern Ende 5. Der Wicklungsdichte entsprechend ändert sich nun die induzierende Wirkung des Schwebekörpers 2, so dass also die Höhenlage des Schwebekörpers innerhalb der Spule anhand der in derselben induzierten Widerstandserhöhung verfolgt werden kann. Zur Messung können bekannte, hier nicht näher beschriebene und gezeichnete Messbrücken- oder Differentialtransformatorschaltungen oder dergleichen verwendet werden.
In den Fig. 2 und 3 sind Aufbaumöglichkeiten für Stufenspulen skizziert. Die Stufenspule 6, gemäss Fig. 2 ohne Kern gezeichnet, besteht aus einer Mehrzahl übereinander und konzentrisch angeordneter Einzelspulen 8, 9, 10 usw. mit jeweils gleicher Wicklungsdichte aber unterschiedlicher Länge. Die Stufenlänge liegt innerhalb der 0,2- bis 2fachen Länge des Schwebekörpers 2, so dass der induzierte Widerstand einen stetig steigenden oder fallenden Verlauf nimmt. Die Stufenspule 11 der Fig. 3 setzt sich aus zahlreichen nebeneinander angeordneten Teilspulen 12, 13, 14 usw. zusammen, deren Wicklungsdichte entsprechend der gewünschten Änderung des induzierten Widerstandes zunimmt. Dabei ist es auch möglich, zwischen den Teilspulen der Stufenspule 11 (Fig. 3) einen Spalt 15 zu lassen, der es notfalls gestattet, die Kernbewegungen ohne Fernübertragung unmittelbar mit dem Auge zu verfolgen.
Durch die Wahl der von Stufe zu Stufe sich ändernden Wicklungsdichte hat man es in der Hand, dem Zusammenhang zwischen Kernstellung und Spuleninduktivität den gewünschten z. B. linearen Verlauf zu geben.
Mit Hilfe der angegebenen Messgeber, bestehend aus einer Induktionsspule mit unterschiedlicher Wicklungsdichte und einem zur Spulen- oder Messlänge kleinem Kern, ist es möglich, messtechnische Anzeige- und Fernübertragungsaufgaben zu lösen, für die sonst nur lange Kerne verwendet werden konnten. Der kurze und leichte Kern kann aber besser den Erfordernissen, die sich aus den zu messenden Medien ergeben, angepasst werden. Die erfindungsgemässen Messgeber eignen sich besonders für Durchflussmessungen mittels Schwimmermesser und für Flüssigkeitsstand-Messungen in Rohren.