Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Messung des Abstandes zwischen zwei relativ zueinander sowie gegenüber einer festen Basis beweglichen Körpern.
Zur elektrischen Messung von Abständen bzw. Wegen werden sogenannte Wegaufnehmer verwendet, die im wesentlichen aus einem Messteil (Differentialtransformator) und einem zu diesem beweglichen Ankerteil bestehen. Hierbei wird der Abstand des Ankers zu einem (in der Regel mittigen) Bezugspunkt am Messteil durch ein Wechselspannungsoder Gleichspannungssignal am Ausgang des Messteils dargestellt, wobei eine Linearität der Weg/Signal-Kennlinie von üblicherweise etwa 0,5-1 o/o erreicht wird. Dank einer theoretisch unendlich grossen Wegauflösung können solche Geräte bei der Weg- bzw. Distanzmessung, besonders von einem festen zu einem beweglichen Körper, mit ausreichender Genauigkeit als unmittelbares Messglied eingesetzt werden.
In besonderen Fällen hingegen, z. B. bei der Abstandsmessung zweier relativ zueinander und ausserdem gegenüber einem festen Bezugspunkt (Basis) sich im Raum bewegender Körper, vermögen die bekannten Einrichtungen die für eine Präzisionsmessung (z. B. auf 1 lzm) erforderliche Genauigkeit und Stabilität nicht zu gewährleisten. Dies ist beispielsweise der Fall bei einem im Ständerfenster eines Walzgerüstes beweglichen Walzenpaar, dessen Abstand den zwischen ihnen gebildeten Walzspalt und damit die Dicke des Walzgutes bestimmt.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Messvorrichtung für den Abstand zweier beweglicher Körper zu schaffen, welche erhöhten Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und Stabilität genügt, und zwar unabhängig von der jeweiligen Geschwindigkeit und Beschleunigung der Bewegung der Körper zueinander wie auch zur Basis.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch mindestens ein Paar von sich an den Körpern abstützenden Wegaufnehmern mit einander angeglichenen Weg/Signal-Kennlinien und zur Differenzbildung zusammengeschalteten Signalausgängen, wobei von dem Messteil und dem Ankerteil jedes Wegaufnehmers der eine Teil sich an je einem der Körper abstützt und die andern Teile miteinander starr verbunden sind.
Eine solche Messvorrichtung eignet sich insbesondere zur direkten Erfassung des Walzenabstandes als Istwert (Augenblickswert) in Anlagen zur Regelung des Walzspaltes bzw. der Banddicke in Kalt- und Warmwalzwerken.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, welche die vorgenannte Anwendung betreffen, in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die prinzipielle mechanische Anordnung einer Vorrichtung mit einem Wegaufnehmer-Paar im Schnitt;
Fig. 2 die Weg/Signal-Kennlinie und den Systemaufbau eines bekannten, einzelnen Wegaufnehmers;
Fig. 3 die schematische Wirkungsweise der lage- und bewegungsunabhängigen Messung;
Fig. 4 das Prinzipschaltbild einer elektrischen Messschaltung;
Fig. 5 die schematische Anordnung einer Vorrichtung mit zwei Paaren von Wegaufnehmern für eine Walzenabstandsmessung;
Fig. 6 eine weitere Variante der Messvorrichtung, mit von aussen her sich gegen die Walzen abstützenden Teilen der Wegaufnehmer.
Wie Fig. 1 erkennen lässt, stützen sich die in einer gemeinsamen, als Gleithülse ausgebildeten Führung 1 axial beweglich gelagerten Messteile 2 und 3 zweier induktiver Wegaufnehmer mit ihren als Schutz- und Lagerdeckel ausgebildeten Tastköpfen 4 und 5 gegen die korrespondierenden, innerhalb des Messbereiches beliebig beweglichen Prüfkörper (Walzen) 6 und 7 federnd ab. Die Abstützkraft wird beispielsweise mit Hilfe eines über eine Drosseleinrichtung 8 und in die zwischen den Messteilen 2, 3 befindliche Kammer 9 eingebrachten und durch die Lagerspalte zwischen den Messteilen 2 und 3 und ihrer Führungshülse 1 austretenden strömenden Mediums 10 von geringem Überdruck erzeugt.
Dadurch vermögen die Messteile 2 und 3 mit den Tastköpfen 4, 5 den Bewegungen (Lageveränderungen) der Prüfkörper 6 und 7 unverzüglich und zwangsläufig kraftschlüssig zu folgen. Dank dieser Anordnung wird nicht nur eine vom Messabstand unabhängige Andrückkraft der Tastköpfe an die Walzen erzielt, sondern - infolge des durch die Lagerspalte ausströmenden Mediums, z. B. Luft oder Kühlmittel auch das Eindringen von Fremdkörpern in die Messeinrich tung verhindert.
Die Ankerteile 14, 15 der beiden Wegaufnehmer sind mittels einer Halterung 13 an der Führungsbuchse 1 starr befestigt. Die an den elektrischen Ausgängen 11 und 12 der Messteile auftretenden Messspannungswerte werden dabei durch die jeweilige Stellung dieser Ankerteile 14 und 15 bezüglich der zugehörigen Messteile 2 und 3 bestimmt. Die infolge einer (gleichförmigen oder ungleichförmigen) Bewegung der Prüfkörper 6 und 7 in bezug zur feststehend angenommenen Basis (Führung) sowie rückwirkungsfrei zu ihr aus einer Anfangsstellung Xio, X20 auftretenden axialen Verschiebungen der Messteile 2 und 3 sind durch die Koordinaten Xl, vl und X2, v2 definiert.
Fig. 2 zeigt die Kennlinie und das Prinzipschaltbild eines einzelnen, an sich bekannten induktiv wirkenden Differentialtransformators, wie er durch jeden der Wegaufnehmer 2, 14 und 3, 15 nach Fig. 1 dargestellt ist. Bei einer zumeist durch die geometrisch mittige Ausgangsstellung des Ankers 16 in bezug zum Gehäuse festgelegten Nullstellung des Aufnehmers neben sich die von der Primärwicklung 17 in den beiden Sekundärwicklungen 18 und 19 induzierten Spannungen auf. Mie Messspannung an den Ausgangsklemmen 20 ist in dieser Stellung null. Wird der Anker 16 aus der Nullstellung um die Strecke Ax bzw.
As verschoben, so wird aufgrund der gegeneinander geschalteten, ausserhalb der Nullstellung hinsichtlich Betrag und Phase nicht mehr gleichen generatorischen Spannungen in 18 und 19 eine Ausgangsspannung an die IGemmen 20 vom Betrag Au geliefert.
Die Kennlinie der unbelasteten Klemmenspannung 20 ist in Fig. 2 ebenfalls dargestellt. Wie ersichtlich, erzeugen positive Lageänderungen positive und negative Lageänderungen negative Spannungswerte. Die Messspannung ist im allgemeinen innerhalb des Messbereiches dem Messweg proportional.
In Fig. 3 sind die einander angeglichenen Kennlinien der beiden mechanisch und elektrisch miteinander verbundenen, einzelnen Wegaufnehmer 2, 14 und 3, 15 in bezug auf ihre gemeinsame Basis (Führung 1) dargestellt. Wie bei dem einzelnen Wegaufnehmer gemäss Fig. 2 sind die an den Messteilen 2 und 3 auftretenden Spannungen von den Stellungen der zugehörigen an der Führungsbuchse gemeinsam fixierten Anker 14 und 15 abhängig.
Wird ein Messteil oder beide in der Führung 1 axial verschoben, so ist, unter Zuhilfenahme einer geeigneten elektrischen Differenzschaltung die Spannungsdifferenz der beiden Klemmenspannungen U11 und U12 (Messspannung) nur von der relativen Distanzänderung der beiden Messteile zueinander abhängig. Bei festgehaltenen Körpern 2 und 3 und beliebig bewegter Führung 1 mit den Ankern 14 und 15 bleibt hingegen die Messspannung (U11-U12) unverändert, vorausgesetzt, dass durch geeignete Mittel die Kennlinien der beiden Wegaufnehmer hinsichtlich Linearität und Steilheit einander genau angeglichen sind.
Bei Bestimmung der relativen Distanz zweier Prüfkörper (6, 7 in Fig. 1) mit Hilfe der dargestellten Einrichtung ist somit die axiale Lage der Führungsbuchse bzw. die Aufhängung (Halterung und Kabelzuführung) der Messeinrichtung in der Prüfstrecke sowie ihre Geschwindigkeit und Beschleunigung ohne Einfluss auf den Messwert.
Fig. 4 zeigt eine für die exakte Distanzmessung und Kennlinienanpassung geeignete Messschaltung. Die Anordnung besteht im wesentlichen aus drei Operationsverstärkern, die, als Differenzverstärker geschaltet, die eingangsseitig paarweise zugeführten Spannungen U11/U'o und Uu/U'0 bzw. Uz/U2 voneinander subtrahieren. Die Kennlinien U = f(s) der Messund Vergleichsspannungen (U11, U12, U0, U'o) lassen sich dabei in bekannter Weise mit Hilfe der Einstellwiderstände Ri bis Rs innerhalb ihres Linearitätsbereiches in ihren Koordinaten so einstellen, dass sie in dem Messbereich genau deckungsgleich sind.
Die mittels der Wegabhängigen Messspannungen Uii und U12 in Verbindung mit der Referenzspannung Uo (bzw. deren Teilspannung U'o für die Arbeitspunkteinstellung) gebildete differentielle Ausgangsspannung Ua ist dann, in dem gewählten Wegmess- und Frequenzgangbereich, eine Funktion der kürzesten räumlichen Distanz der Prüfkörper 6 und 7 (Fig. 1) voneinander, und zwar unabhängig von ihrer jeweiligen absoluten Lage und Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung in dem durch zwei Freiheitsgrade (in der Zeichenebene) gekennzeichneten Messraum.
Die Messvorrichtung kann gemäss einer Variante nach Fig. 5 mit gleichem Vorteil auch dann verwendet werden, wenn die freie Distanz zwischen den Prüfkörpern sehr klein ist und für die Anordnung der Wegaufnehmer in der direkten Verbindungslinie der Prüfkörper (Walzen) nach Fig. 1 nicht genügend Raum lässt. Die in der Regel im Vergleich zur Messvorrichtung grossen Prüfkörper (Walzen) bieten die Möglichkeit, eine aus zwei Paaren von Wegaufnehmern 32', 14', 15' und 32", 14", 15" bestehende Messvorrichtung zu verwenden. Die über eine gemeinsame Lagerdeckelkonstruktion 4 und 5 gekoppelten Wegaufnehmer-Paare werden hierbei im gleichen Abstand links und rechts von der radialen Verbindungslinie der Walzen 6, 7 angeordnet und mittels eines Steges 31 miteinander starr verbunden.
Ein allfälliger, durch Ungenauigkeit in der mechanischen Fertigung verursachter absoluter Distanzfehler der (aussermittig gelagerten) Anordnungen wird durch eine Mittelwertbildung der Messspannungen der beiden unabhängig voneinander wirkenden Wegaufnehmer-Paare 32', 14', 15', und 32", 14", 15" vollständig kompensiert.
Wie aus der Fig. 5 ferner hervorgeht, ist hier die Lage von Messteilen und Ankerteilen gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 vertauscht, was auch in anderen Fällen wegen der quasi-festen Verlegung der Messleitungen von Vorteil sein kann. Die in Fig. 5 skizzierten Anker 14', 15' und 14", 15" sind demgemäss mit den als Gleitschalen ausgebildeten Lagerstücken 4 und 5 in geeigneter Weise verbunden, während die Träger der Messteile 32' und 32" z. B. feststehend über den Steg 31 miteinander verbunden sind.
Wie die schematische Darstellung nach Fig. 6 zeigt, kann die Abstützung an den Prüfkörpern (Walzen) auch von aussen her erfolgen. Die beiden mit Lagerschalen versehenen Joche 4' und 5' sind hierbei mittels Zugfedern 28', 28" gegeneinander verspannt und liegen auf diese Weise an den Walzen 6 7 an, deren Abstand die Dicke des Walzgutes 29 bestimmt.
Die Joche 4', 5' tragen ferner in analoger Weise wie gemäss Fig. 5 die zu den beiden Paaren von Wegaufnehmern 32', 32" gehörenden Ankerteile.
Schliesslich ist es nicht erforderlich, dass die zueinander beweglichen Prüfkörper, wie bei den vorstehenden Beispielen, durch Bearbeitungswalzen gebildet sind. So ist es z. B.
denkbar, als Prüfkörper zwei an einer Materialbahn anliegende Tastrollen zu verwenden und auf diese Weise laufend die Materialdicke zu messen.