Längenmessgerät nach dem Differentialtransfonnatorprinzip
Es sind bereits Messweggeber bekannt, deren Spulen zu einer Brückenschaltung verbunden werden, so dass die durch die Verschiebung eines magnetisierbaren Kernes bewirkte Verstimmung der Brücke zur Ermittlung der zu messenden Verschiebung benutzt werden kann.
Anderseits sind auch ähnlich aufgebaute Messweggeber bekannt, deren Spulen nach dem Differentialtransformatorprinzip aufgebaut sind. Diese induktiven Messsysteme werden an Wechselspannungen angelegt, deren Frequenz und Amplitude entsprechend der Grösse des Spulensystems und der Proportionalitätskonstanten, d. h. dem Verhältnis zwischen abgegebenem elektronischem Messwert zur Verlagerung des Tasters gewählt werden. An sich wird angestrebt, kleine handliche Spulensysteme mit möglichst hoher Frequenz zu speisen. Da die Spulen stets Verlustwiderstände aufweisen, die die zugeführte elektrische Energie in Wärme umsetzen, ist infolge der Aufheizung des Tastsystems und der dadurch bedingten Fehlereinflüsse die maximal umsetzbare Energie begrenzt.
In den magnetisierbaren Teilen entstehen auch Verlustwärmen, die proportional einer Potenz der angelegten Frequenz der Wechselspannung sind, so dass sich für den Betrieb derartiger Taster Wechselspannungen um 20 kHz als zweckmässig ergeben.
Bekannte Messweggeber in Brückenschaltung weisen insbesondere den Nachteil auf, dass zur Erzielung des Brücken ab gleiches auf Minimum ein doppelter Abgleich nach Real- und Imaginärteil durchgeführt werden muss, welcher eine Bedienung durch entsprechend vorgebildete Personen erfordert. Ein derartiges Messgerät ist also mehr für reine Labormessungen geeignet.
Gegenstand der Erfindung ist ein Längenmessgerät, das nach dem Differentialtransformatorprinzip arbeitet, welches eine Primärspule und zwei elektrisch gegeneinandergeschaltete Sekundärspulen aufweist und welches die obenerwähnten Nachteile nicht aufweist. Dieses Gerät kennzeichnet sich dadurch, dass der magnetisierbare Kern und die Spulenanordnung relativ zueinander verschiebbar sind und der magnetische Kern rohrförmig ausgebildet ist und die Spulen anordnung umfasst.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltschema eines zum bekannten Stand der Technik gehörenden Differenffalmesstasters,
Fig. 2 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Differentialmesstasters und
Fig. 3 eine Schaltanordnung mit einem elektrisch mit dem Messgeber verbundenen Nullregler mit elektrischer Untersetzung.
Bei dem bekannten Messtaster nach dem Differentialprinzip ist eine feststehende Spule 2 an eine Wechselspannungsquelle 1 nach Fig. 1 angeschlossen. Innerhalb der ebenfalls feststehenden Sekundärspulen 6 und 7 ist ein z. B. aus Ferrit bestehender Messkern 3 beweglich angeordnet, der mit einem nicht magnetisierbaren Taster 4 fest verbunden ist und somit den durch die Abtastung der Oberfläche 5 bedingten Verschiebungen des Messtasters 4 folgt.
Die Spulen 6 und 7 sind in bezug auf die induzierten Spannungen gegensinnig zueinander geschaltet, so dass an den Klemmen 8 keine Spannung auftritt, wenn der Kern 3 genau in der magnetischen Symmetrie liegt. Je nach den Auslenkungen des Kernes aus der Symmetrielage wird in der einen Spule eine höhere und in der gegengeschalteten Spule eine niedrige Spannung induziert, so dass sich ein verhältnismässig steiler Anstieg der Ausgangsspannung mit zunehmender Auslenkung des Messtasters ergibt.
In Fig. 2 sind die den Teilen nach Fig. 1 entsprechenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Messtaster ist der bewegliche Teil aus magnetisierbarem Material als Ring 3 ausgebildet, der z. B. durch Einbördelung mit dem nichtmagnetisierbaren Taster 4 verbunden ist. Der im Inneren des Systems nunmehr fest angeordnete Kern 10 kann auch entfallen. Es ist ersichtlich, dass die Spulen 2, 6 und 7 sich ausserhalb der Anordnung in einem Arbeitsgang wickeln und abgleichen lassen, so dass eine einfache Montage an dem Tastrahmen 11 möglich ist. Die Darstellung stellt nur ein Beispiel einer Ausbildung in schematischer Form dar, es werden daher konstruktive Ausbildungen sowie auch die Umkehr in der Wahl zwischen feststehendem und beweglichem Teil, z. B. die Spulenanordnung 2, 6, 7 mit dem Taster 4 zu verbinden und den Ring 3 mit dem Gehäuse 11 zu verbinden, mit umfasst.
Bei Serienmessungen ist es oft erwünscht, eine Möglichkeit zur elektronischen Nachstellung des Nullpunktes vorzusehen. Dies wird nach Fig. 3 durch eine Serienschaltung der sekundären Ausgangspannung mit derjenigen eines weiteren Differentialtransformators bewerkstelligt. Die Ausgangsleitung der Spulen 6 und 7 des Messtasters ist noch über Widerstand 15 geführt, der als Spannungsteilerwiderstand zu dem Widerstand 14 im Sekundärzweig der Spulen 16 und 17 eines zweiten Differentialwandlers angeordnet ist, dessen Primärspule 12 ebenfalls vom Generator 1 gespeist wird. Zur Nachstellung des Nullpunktes des Tasters 4 wird der Taster 13 z. B. über einen Gewindetrieb so lange verschoben, bis die am Widerstand 15 stehende Wechselspannung gerade die aus den Spulen 6 und 7 gelieferte Spannung kompensiert, so dass an den Klemmen 8 keine Spannung liegt.
Durch die Anordnung einer elektrischen Untersetzung mittels des Spannungsteiles 14, 15 werden mechanische Fehler wie z. B. Lagerspiel des Nullreglers ebenfalls entsprechend untersetzt, so dass trotz weniger genauer mechanischer Ausbildung des Nullreglers eine sehr feine Kompensierung der Nullage des Messtasters 4 möglich ist.
Zweckmässig können die einzelnen Bauelemente so ausgebildet werden, dass sie als steckbare Baugruppen leicht gegen andere zwecks Reparatur oder Anpassung an andere Aufgaben auswechselbar sind.
Im Gegensatz zum Brückenprinzip kann bei einem solchen nach dem dilferentialtransformatorischen Prinzip aufgebauten Messweggeber auf einen besonderen Abgleich der Verlustwiderstände verzichtet werden, wenn es gelingt, die Verlustwiderstände hinreichend klein zu halten und den Eingang des nachgeschalteten Messverstärkers sehr hochohmig gegenüber dem Ausgangswiderstand des Messweggebers auszubilden. In diesem Falle fliesst im Sekundärzweig eines Differentialgebers infolge der Gegeneinanderschaltung der Sekundärspulen und des hochohmigen Einganges ein so geringer Strom, dass an den in den Sekundärspulen des Messwertgebers enthaltenen Verlustwiderständen praktisch kein Span nungsf all mehr auftritt, der eine Trübung des Minimums verursachen könnte.
Da der meist aus Ferriten bestehende Messstift eine bestimmte optimale Länge für maximale Empfindlichkeit des Messtasters besitzt, werden in zweckmässiger Ausbildung die durch eine metallene Halterung des Messstiftes in das System normalerweise eingeführten Wirbelstromverluste durch eine Umkehrung der Spulenund Stiftanordnung gegenüber den bisher bekannten Ausführungen vermieden, indem dem magnetisierbaren Stift die Form eines Rohrkernes gegeben wird, der aussen um die Spulen anordnung angeordnet ist.
Dieser Rohrkern kann unbedenklich z. B. in eine Messinghülse eingebördelt werden, da bei entsprechender Wahl von Wanddicke des Rohrkernes und magnetischer Feldliniendichte ausserhalb des Rohrkernes kein wesentlicher Anteil des Spulenfeldes mehr vorhanden ist, so dass der Rohrkern in sehr stabiler Weise metallisch mit der Tastspitze verbunden werden kann. Ein derartiger Taster ist offensichtlich auch einem rauhen Betrieb gewachsen. Durch die Anordnung der Spulen im Inneren des Rohrkernes kann infolge der gleichzeitigen abschirmenden Wirkung des Rohrkernes gegen äussere Felder deren Verlustwiderstand den Forderungen entsprechend genügend klein gehalten werden, so dass keine Minimumtrübung auftritt.
Da der Taster einen robusten, einfachen Aufbau aufweist, kann er auch vorteilhaft hergestellt werden, zumal auch die Spulen in einem einfachen Arbeitsgang gewickelt und sofort ohne etwaiges Einkleben in den Taster - abgeglichen werden können. Der hochohmige Eingangswiderstand des Messverstärkers wird durch Anordnung eines entsprechend bemessenen Rückkopplungswiderstandes zwischen Ausgang und Eingang des Verstärkers erreicht.
Length measuring device based on the differential transformer principle
There are already known transducers whose coils are connected to form a bridge circuit, so that the detuning of the bridge caused by the displacement of a magnetizable core can be used to determine the displacement to be measured.
On the other hand, similarly constructed measuring position transducers are also known whose coils are constructed according to the differential transformer principle. These inductive measuring systems are applied to alternating voltages, the frequency and amplitude of which correspond to the size of the coil system and the proportionality constant, i.e. H. the ratio between the output electronic measured value and the displacement of the probe. The aim is to feed small, handy coil systems with the highest possible frequency. Since the coils always have loss resistances that convert the supplied electrical energy into heat, the maximum amount of energy that can be converted is limited due to the heating of the probe system and the resulting error influences.
In the magnetizable parts, there are also heat losses which are proportional to a power of the applied frequency of the alternating voltage, so that alternating voltages of around 20 kHz are expedient for the operation of such buttons.
Known measuring displacement transducers in a bridge circuit have the particular disadvantage that in order to achieve the bridge from the same to a minimum, a double adjustment for real and imaginary parts must be carried out, which requires operation by appropriately trained persons. Such a measuring device is therefore more suitable for pure laboratory measurements.
The subject of the invention is a length measuring device which operates according to the differential transformer principle, which has a primary coil and two secondary coils electrically connected against one another and which does not have the disadvantages mentioned above. This device is characterized in that the magnetizable core and the coil arrangement are displaceable relative to one another and the magnetic core is tubular and comprises the coil arrangement.
The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiment shown in the drawings.
Show it:
1 shows a circuit diagram of a differential palm probe belonging to the known state of the art,
2 shows a section through an embodiment of the differential probe according to the invention and
3 shows a switching arrangement with a zero regulator, electrically connected to the encoder, with an electrical reduction.
In the known measuring probe based on the differential principle, a stationary coil 2 is connected to an alternating voltage source 1 according to FIG. Within the also stationary secondary coils 6 and 7 is a z. B. consisting of ferrite measuring core 3 is movably arranged, which is fixedly connected to a non-magnetizable probe 4 and thus follows the displacements of the probe 4 caused by the scanning of the surface 5.
The coils 6 and 7 are connected in opposite directions to one another with regard to the induced voltages, so that no voltage occurs at the terminals 8 if the core 3 is exactly in magnetic symmetry. Depending on the deflections of the core from the symmetry position, a higher voltage is induced in one coil and a lower voltage in the counter-connected coil, so that the output voltage rises relatively steeply with increasing deflection of the probe.
In FIG. 2, the parts corresponding to the parts according to FIG. 1 are provided with the same reference numerals. In the probe, the movable part is made of magnetizable material as a ring 3, the z. B. is connected to the non-magnetizable button 4 by beading. The core 10, which is now firmly arranged inside the system, can also be omitted. It can be seen that the coils 2, 6 and 7 can be wound and adjusted in one operation outside the arrangement, so that simple assembly on the sensing frame 11 is possible. The illustration is only one example of a training in schematic form, there are therefore constructive training and the reversal in the choice between fixed and movable part, z. B. to connect the coil arrangement 2, 6, 7 to the button 4 and to connect the ring 3 to the housing 11, with includes.
In the case of series measurements, it is often desirable to provide a facility for electronic readjustment of the zero point. This is accomplished according to FIG. 3 by a series connection of the secondary output voltage with that of a further differential transformer. The output line of the coils 6 and 7 of the probe is also routed through resistor 15, which is arranged as a voltage divider resistor to resistor 14 in the secondary branch of coils 16 and 17 of a second differential converter, whose primary coil 12 is also fed by generator 1. To readjust the zero point of the button 4, the button 13 z. B. shifted via a screw drive until the alternating voltage across the resistor 15 just compensates for the voltage supplied by the coils 6 and 7, so that there is no voltage at the terminals 8.
By arranging an electrical reduction by means of the voltage part 14, 15 mechanical errors such. B. bearing play of the zero controller is also correspondingly reduced, so that, despite the less precise mechanical design of the zero controller, a very fine compensation of the zero position of the probe 4 is possible.
The individual components can expediently be designed in such a way that, as plug-in assemblies, they can easily be exchanged for others for the purpose of repair or adaptation to other tasks.
In contrast to the bridge principle, with such a transducer based on the dilferential transformer principle, a special adjustment of the loss resistances can be dispensed with if the loss resistances can be kept sufficiently small and the input of the downstream measuring amplifier is designed to be very high-resistance to the output resistance of the transducer. In this case, as a result of the connection of the secondary coils and the high-impedance input against one another, the current flows in the secondary branch of a differential encoder so low that there is practically no voltage drop at the loss resistances contained in the secondary coils of the transducer, which could cause the minimum to become cloudy.
Since the measuring pin, which is mostly made of ferrites, has a certain optimal length for maximum sensitivity of the measuring probe, the eddy current losses normally introduced into the system by a metal holder of the measuring pin are avoided by reversing the coil and pin arrangement compared to the previously known designs magnetizable pin is given the shape of a tubular core, which is arranged on the outside of the coil arrangement.
This tubular core can be used safely z. B. be crimped into a brass sleeve, since with the appropriate choice of wall thickness of the tube core and the density of magnetic field lines outside the tube core, there is no longer a significant proportion of the coil field, so that the tube core can be connected to the probe tip in a very stable manner. Such a button is obviously able to withstand rough operation. The arrangement of the coils in the interior of the tube core means that, due to the simultaneous shielding effect of the tube core against external fields, the loss resistance thereof can be kept sufficiently small in accordance with the requirements, so that no minimum turbidity occurs.
Since the button has a robust, simple structure, it can also be manufactured advantageously, especially since the coils can also be wound in a simple operation and can be adjusted immediately without any gluing into the button. The high-ohmic input resistance of the measuring amplifier is achieved by arranging an appropriately sized feedback resistor between the output and input of the amplifier.