-
Anordnung zur induktiven Abtastung und Ubertragung einer beliebigen
Meßgröße Induktiv wirksame Anordnungen zur spannungsmäßigen Abbildung oder Übertragung
von Längen, Standhöhen, Winkelstellungen oder anderen durch die Bewegung eines Kernes
im wechselstromerregten Feld einer Spulenanordnung darstellbaren Meßgrößen finden
in der praktischen Meßtechnik vielseitig Verwendung.
-
Neben dem einfachen mechanischen und elektrischen Aufbau macht vor
allem das Fehlen beweglicher, empfindlicher Kontakte die induktiven Systeme für
chemische oder sonstige staubige, feuchte und korrosionsgefährdete Betriebe geeignet.
Diese Anordnungen erfüllen, soweit es sich um die Übertragung oder Regelung von
Standhöhen, Temperaturen und Drfld<en, Mengenmessungen od. dgl. handelt, hohe
Ansprüche an Genauigkeit und Betriebssicherheit. Auch für die Fernsteuerung und
Rückmeldung von Stellgliedern und die Kommandoübertragung, insbesondere auf Schiffen
und in Kraftwerken, finden heute induktive Systeme in großem Ausmaß Verwendung.
-
Die Verwendung dieser bekannten Systeme ist indes auf die Übertragung
bzw. spannungsmäßigeAbbildung solcher Meßgrößen beschränkt, die nicht rüdwifl<ungsempfindlich
sind. Stehen von Haus aus nur kleine oder sogar kleinste Verstellkräfte zur Verfügung,
so kann die Einstellung der eigentlichen Meßeinrichtung infolge der Riicl\-wirkung
des unter dem magnetischen Einfluß der Erregerspule stehenden Kernes leicht unzulässig
beeinflußt werden. Außerdem bereitet es Schwierigkeiten, längere Kernwege als z.
B. 500 mm, wie dies beispielsweise bei der kontinuierlichen Messung von Standhöhen
oft verlangt wird, spannungsmäßig mit ausreichender binearität abzubilden. Es ist
bekannt, daß in solchen Fällen mehrere gleichartige induktive Systeme einfach aufeinandergesetzt
werden, wobei der damit verbundene binearitätssprung in Kauf genommen werden muß.
-
Will man mit Hilfe einer induktiv wirksamen Anordnung empfindlichere
Meßeinrichtungen, z. B. für kleinste betriebliche Änderungen von Drücken, Temperaturen
oder Dichten, abtasten, so ist man gezwungen, das Gewicht und die Größe des Kernes
oder Schwimmers sowie die magnetische Feldstärke derart herabzusetzen, daß der zur
praktischen Ausnutzung verbleibende Bewegungsbereich nur in speziellen Fällen den
betrieblichen Forderungen gerecht wird.
-
Derartige induktive Geber für eine unmittelbare spannungsmäßige Anzeige
sind auf dem Markt. Der übertragene Bewegungsbereich der mit solchen Gebersystemen
verbundenen U-Rohr-Quecksilbermanometer üblicher Bauart beträgt etwa + 30 mm Hg-Säule.
-
Es sind ferner in diesem allgemeinen Zusammenhang schon induktiv
wirksame Vorrichtungen zur elektrischen Anzeige oder Registrierung von Meßgrößen
bzw. Bewegungen bekannt, bei denen nach
einer Änderung der Induktanz durch ein steuerndes
Organ auf der Geberseite ein Stellmotor das elektrische Gleichgewicht zweier oder
mehrerer Mefikreise auf der Empfängerseite wiederherstellt.
-
Jeder Verschiebung des steuernden Organs entspricht dabei eine bestimmte
Wegveränderung des Stellmotors. Bei dieser bekannten Anordnung wird die Kompensation
auf der Empfängerseite vorgenommen.
-
Die benötigten Meß-, Such- und Abgleichspulen sind räumlich an verschiedenen
Stellen des Systems angeordnet und wirken teilweise mit voneinander mechanisch vollkommen
unabhängigen Spulenkernen zusammen. Dabei ist die Möglichkeit einer induktiven oder
kapazitiven Einkoppelung von Störgrößen sowie von mechanischen Veränderungen gegeben.
Ferner sind für einen selbsttätigen Abgleich der bekannten Anordnung jeweils mehrere
mechanische und elektrische Zwischenglieder auf der Geber- und Empfängerseite erforderlich.
-
Es wurde nun gefunden, daß man diese Nachteile vermeidet, wenn man
Erreger-, Such- und Abgleichspulen sowie die zugehörigen Spulenkerne auf der Geberseite
vereinigt. Die Anordnung nach der Erfindung zeichnet sich demzufolge dadurch aus,
daß Erreger-, Such- und Abgleichspulen am Meßort zusammengefaßt sind und von dem
gleichen Kernsystem beeinflußt werden und daß die Bezugsstellung und das damit gegebene
Stellungs- und Abgleichverhältnis zwischen Spulensystem und Kernsystem bei einer
Änderung der Meßgröße unmittelbar am Meßort wiederhergestellt wird, wobei das übertragene
oder fernübertragene Maß der ausgeführten Abgleichbewegung der anzuzeigenden Meßgröße
entspricht.
-
Die zur Abtastung verwendeten elektromagnetischen Felder werden so
schwach gehalten, daß keine merklichen.
die Meßgröße selbst beeinflussenden
Kräfte auf den Kern ausgeübt werden und daher auch im Bereich kleiner Verschiebungen
oder Meßwerte von z. B. 0,5 l>is 1 mm eine genügend rückwirkungsfreie und empfindliche
Übertragung gewährleistet ist. Dabei können eine oder mehrere Suchspulen. mit der
Erregerspule. insbesondere um den Kern als Achse, zu einem Spulensvstem vereinigt
und die Such- und Erregerspulen gegebenenfalls aus mehreren Teilspulen aufgebaut
werden. Zur Speisung einer I&)ompensationsanordnung können eine oder mehrere
Spulengruppen so angeordnet werden. daß in der vorbestimmten Bezugsstellung von
Kern und Spulensystem bzw. Kernen und Spulensystemen durch geeignete Bemessung und
Schaltung der Such- und Erregerspulen die Ausgangsspannung der Suchspulen Null wird.
Weiterhin können zwei zu demselben Erregerkreis gehörende Suchspulen gegenphasig
in Reihe geschaltet werden, wobei jede Suchspule mit einer der in zwei oder mehr
gleich- oder gegenphasig erregte Teilspulen aufgetrennten Erregerspule zu je einem
Teilsystem vereinigt und von einer entsprechenden Zahl voneinander unabhängiger
Kerne beeinflußt werden kann, oder es können Suchspulen verschiedener Spulensysteme
innerhalb ihrer Gruppe gleichphasig in Reihe liegen, während die Ausgangsspannuilgen
der Systeme gegenphasig in Reihe geschaltet werden. Vorteilhaft wird die so gewonnene
Ausgangsspannung zur Speisung eines geeigneten. orzugsweise elektronischen Differentialrelais
verwendet. das den Verstellmotor für die Abgleichullg auf die Bezugsstellung gesteuert.
Diese Abgleichung auf die Bezugsstellmlg erfolgt-durch Verschieben des Spulensystems
bzw. der Spulensysteme oder des die Lage des Kernes steuernden Mediums längs der
Kernachse. Mit Hilfe eines derartigen Spulensystems wird bei einer plötzlichen Kernbewegung,
z. B. lei Drucl<-stößen, ein dämpfendes Magnetfeld erzeugt. dessen Stärke sich
der Weite der Kernauswanderung selbsttätig anpaßt. Fiir die Beeinflussung des Spulensystems
lassen sich metallhaltige. unmagnetische Aleßmeclicn. wie z. B. Quecksilbersäulen
bei Erregung des Spulensystems mit entsprechend hohen Frequenzen z. B.
-
15 kHz. direkt und ohne zusätzliche Kern oder Schwimmeranordnung verwenden.
Zum Ausgleich von beispielsweise durch Dichte- oder Temperaturänderungen des kerofübrenden
Mediums bedingten Wanderungen des Nullpunktes bew. der Ausgangsstellung. insbesondere
bei Schwimmerkernanordnungen. koppelt man eine der Abweichung direkt proportionale
elektrische Spannung in das.-fiir die Messung benutzte Spulensystem ein. Diese zur
elbsttätigen Korrektur solcher Wanderungen der Nullstellung bzw. Ausgangsstellung
erforderliche Spannung kann mit Hilfe der ollen beschriebenen Spulensysteme erzeugt
werden.
-
\orteilhaft wird die Abtastvorrichtung der Bewegungsrichtung des den
Kern steuernden Mediums zum Zweck des Selbstabgleichs nachgeführt. Bei Vorliegen
besonderer Meßbedingungen können beide Schenkel eines U-Rohres mit Abtasteinrichtungen
versehen werden, die z. B. elektrisch zu einer Doppelbrückenschaltung verbunden
werden. Der Schwimmer wird zweckmäßig aus einem metallhaltigen Kern gebildet und
in ein magnetisch bzw. elektrisch neutrales Schwimmergehäuse konzentrisch eingeschlossen,
das vorteilhaft leicht konisch geformt und an seinem dickeren Ende durch eine schwach
konkav gewölbte Kuppe abgeschlossen tiiid mit Führungs dornen am diinncren Teil
des Gehäuses versehen ist. Bei gewöhnlichen Flüssigkeiten., wie. Wasser, Öl, u.
dgl., taucht das Schwimmergehäuse bis annähernd an sein dickeres
Ende ein, während
es bei schweren Flüssigkeiten, wie Quecksilber, mit der konkaven Kuppe auf dem Quecksilberspiegel
schwimmend ruht.
-
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung sei an Hand eines
Anwendungsbeispiels aus der betrieblichen Praxis, und zwar einer Anordnung für die
Fernmessung eines Druckbereiches von - 100 bis + 200 mm WS erläutert, wobei die
Anzeigegenauigkeit über den ganzen Bereich 1 0,5 mm WS betragen und bei Erreichung
eines Druckes von - 50 und + 175 mmWS ein Signal auf dem Gebläsestand sichtbar werden
soll. Die eigentliche Meßeinrichtung bildet ein normales U-Rohr-Manometer (in der
die Anordlinug schematisch wiedergebenden Abb. 1 mit 1 bezeichnet) aus einem Glasrohr
von 10 mm lichter Weite mit Wasser als Meßmedium. Diese Meßeinrichtung ist mit Kompensation
auf der Geberseite ausgeführt.
-
Als Geber für die Fernübertragung wird ein Drehfeldgeber 7 direkt
mit der Verstelleinrichtung. bestehend aus dem Verstellmotor 6 und der Seilscheibe
11, gekuppelt. Der Erregerstrom wird dem 50-Hz-Netz entnommen. -Der gesteuerte Kern
2 aus magnetischem Blechrohr ist als Schwimmerkern ausgebildet. der. wie in Figur
C der Abb. 4 veranschaulicht wird, in ein Schwimmergehäuse 2e aus Glas eingebaut
ist.
-
Das Schwimmergehäuse. das schwach konisch ist, trägt an seinem dünneren
Teil Glasspitzen 2 b, die eine schädliche Reibung des Schwimmers an der Glaswand
des Manometer-U-Rohres oder eine Klebwirkung bei schneller Bewegung verhindern.
Die Verdrängung des Schwimmers wird so abgestimmt, daß die vorteilhaft schwach konkav
ausgebildete obere Kuppe des Schwimmergehäuses mit dem Wasserspiegel im U-Rohr gleichsteht.
Das Spulensystem für die Abtastung 3-4 ist mit Rücksicht auf eine schnelle oder
pendelnde Bewegung des Kernes aus vier Teilspulen aufgebaut.
-
Dieser Spulensatz 3-4-4-3 ist unter Einfügung von Distanzstücken 5
verspannt und über dem Schwimmer und dem Glasrohr 1 als Längsachse verschiebbar
an der Seilscheibe 11 aufgehängt. Der Grad der Verschiebung kann auf einer Skala
9 abgelesen werden.
-
Die koaxiale Zuordnung von Spulenachse und Bewegungsrichtung stellt
gerade für diese Meßanordnung eine sehr zweckmäßige Lösung dar und ist daher als
Ausführungsbeispiel gewählt worden. Sollte eine Zuordnung der Achsen im Winkel von
z. B. 900 in anderen Fällen vorteilhafter sein, so sind diese und ähnliche Varianten
bei gleicher elektrischer und mechanischer Steuereinrichtung ohne weiteres durchführbar.
Die inneren Spulen dienen als Erregerspulen 4, die äußeren als Such- oder Empfängerspulen
3. Die Erregerspulen sind so geschaltet. daß in den Suchspulen in der elektrischen
Symmetriestellung von Kern und Spulen gleiche Spannungen induziert werden. die sich
in der äußeren Schaltung zu Null ergänzen. Die Erregerspule ist in zwei Teilspulen
aufgetrennt. um den Einflußbereich des Schwimmers zu vergrößern.
-
Bei Wassermanometern besteht nämlich die Gefahr, daß der leichte Schwimmer
bei Drud<änderungen zu schnell aus der steuernden Spulenzone geführt wird.
-
Die zweckmäßige Ausdehnung der Erregerzone und damit die Empfindlichkeit
läßt sich von Fall zu Fall mit Hilfe der Spulenabstände und der Erregungsstärke
leicht ermitteln und einstellen.
-
Die Ausgangsspannung der Testspulen wird an den angepaßten Eingang
eines elektronischen Differentialrelais 8 geführt. Über diese Relaiseinrichtung
wird der Verstellmotor 6 für die selbsttätige Nullabgleichung gesteuert. Es handelt
sich bei der geschilderte Anordnung um eine leistungslose Potentialsteuerung.
-
Verschiebt sich der Schwimmerkern aus der elektrischen Mitte, so wird
die Kopplung der Erregerspule zu der betreffenden Suchspule inniger, und es wird
in ihr eine zusätzliche Spannung induziert. Damit wird das elektrische Gleichgewicht
gestört. An den Gittern der Eingangs röhren tritt eine Potentialverschiebung ein.
Das erregte Relais steuert den Verstellmotor so, daß der Spulensatz im Sinne der
Kernwanderung so lange verschoben wird; bis die Bezugsstellung wiederhergestellt
ist. Eine Verschiebung des Kernes in der anderen Richtung löst das entsprechende
Nachführen der Spulengruppe bis zur Abgleichung der Bezugsstellmlg aus. Die Spulengruppe
verfolgt exakt die Schwimmerstellung. Da der Drehfeldgeber 7 direkt mit der Seilscheibenwelle
11 gekuppelt ist. wird so die Spulen- und damit die Schwimmerbewegung, d. h. die
Druckhöhe, auf einen entfernten Empfänger übertragen und kann an einemAnzeige- oder
Empfangsgerät 10 abgelesen werden. Da die durch das Magnetfeld entstehende Belastung
des Kernes unter 30 mg gehalten werden kann. ist eine schädliche Rückwirkung auf
die Wasser- oder gar Quecksilbersäule nicht vorhanden.
-
Abb. 2 zeigt dieselbe Meßeinrichtung, jedoch mit feststehendem Spuleusystem
3-4-4-3 und beweglichem Meßrohr 1 und Anzeige auf einer Skala 9. Der Verstellmotor
6 treibt hierbei eine feingängige Spindel 12 zur Höhenverstellung des Rohres 1 Das
Meßrohr wird der Schwimmerbewegung entgegengefühft, damit der Abgleich erfolgen
kann. Bei dieser Anordnung entfallen bewegliche kSpulenzuleitungen.
-
Bei den in den Abb. 1 und 2 dargestellten Anordiluilgen sind l)eide
Schenkel des U-Rohres mit Spulensvstemen versehen. Dabei kaml das zweite System,
wie aus den Schaltbildern C, D, E, F, G, H der Abb. 3 hervorgeht. zur Gewinnung
einer Kompensationsspannung, einer Hilfsspannung wie in Schaltbild H oder einer
Impulsspannung für die Auslösung von Sigiialen. Schalten, einem magnetischen Bremsfeld
od. dgl. wie in Schaltbild G herangezogen werden. Es kann aber auch zur Nullpunktskontrolle
l)ei eventueller Verdunstung des Meßmediums oder zur Erhöhung der Empfindlichkit
gewissermaßen als Ergänzung zu einer Doppelbrückenschaltung verwendet werden, wie
die Schaltbilder D, E, F zeigen.
-
In den Schaltbildern der Al>b. 3, die einige grundlegende, unter
Verwendung gleichartiger Teilspulen ausführbare Schaltungen für die Ausbildung der
Anordnung nach der Erfindung wiedergeben. liegen sämtlichte Spulenanschlüsse den
eingezeichneten Bezugspfeilen entsprechend so, daß der Erregerfluß in den Spulen
gleichsinnig gerichtete elektromotorische Kräfte induziert. Die Anfänge der im gleichen
Wicklungssinn angeordneten Spulen. die jeweils unten liegen sollen. sind durch 0,
ihre Enden durch (23 gekennzeichnet.
-
Aus Gründen der Stabilität und der leichten Variationsmöglichkeit
werden insbesondere 50-hz-Kreise vorzugsweise aus Indukitivitäten aufgelaut. IXei
sinnvoller Beinessung und Anordnung wird damit eine ausreichende Empfindlichkeit
erzielt. Mit Hilfe von Zu- und Gegenschaltungen von Einzelsystemen oder Systemgruppen
werden übersichtliche Phasen- und Amplitudenverhältnisse im praktischen Arbeitsbereich
dieser Systeme eingehalten.
-
Auf eine besondere Darstellung entsprechender Schaltungen mit Resonanzkreisen
kann hier verzichtet werden. da man dafür lediglich die Empfängerspulen durch Kapazitäten
zu Schwingkreisen ergänzen muß. wie dies in den Schaltbildern A und B gestrichelt
angedeutet ist. Suchspulen 4 und Erregerspulen 3 sind
grundsätzlich in der Anordnung
vertauschbar. Ebenso Iiönnen die in den Schaltbildern C bis H gezeigten kombinierten
Schaltungen mit Systemen nach Schaltbild B aufgebaut werden. Die in Schaltbild H
gezeigte Schaltung stellt ein Beispiel für eine Kompensationsanordnung dar, die
aus zwei getrennten Systemen besteht. z. B. für eine Dichtekompensation.
-
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung auf eine Flüssigkeitsstandmessung
mit kontinuierlicher Dichtekompensation unter Zugrundelegung der im Schaltbild H
der Ab. 3 gezeigten Schaltung ist in Figur 4 der Abb. 4 schematisch wiedergegeben.
Die Figur B der Abh. 4 stellt ein Beispiel für die Verbindung mehrerer Meßgeber
für die Erzielung einer Verhältniswert-, Sollwert-oder ähnlichen Regelung dar, wofür
eine Schaltung gemäß den Schaltbildern C, F, H der Abb. 3- anzuwenden ist.
-
Die Anordnung nach der Erfindung ermöglicht eine definierte, für
induktive Verfahren ungewöhnliche Empfindlichkeit der Anzeige, deren Genauigkeit
derjenigen der Klasse 0,5 bis 1 elektrischer Meßgeräte entspricht. und erlaubt einen
praktisch unbegrenzten Meßbereich, der ohne Einschränkung linear abgebildet wird.
Auch eine gewiinschte nichtlineare Meßwertdarstellung, beispielsweise für Regelzwecke
oder zur Anpassung an vorgegebene Anzeigegeräte, ist nach diesem Verfahren durchführbar.
Die Regelung von Sollwerten, Programmwerten oder Verhältniswerten verschiedener
Meßgrößen kann bei gleichzeitiger kontinuierlicher Anzeige der Meßwerte unter Benutzung
einheitlicher Bauelemente durchgefiihrt werden.
-
Ein weiterer Vorzug besteht in der leichten Anpassung an vorhandene
Meßeinrichtungen, wie Standanzeiger, Regler, U-Rohr-Manometer für Wasser, Öl, Quecksilber
od. dgl., sowie in der Möglichkeit, die Verstelleinrichtung mit Fernmeßgebern beliebiger
Art, z. B. Drehfeldgebern, Widerstandsgebern od. dgl., zu kuppeln.
-
Da der technische Aufwand wegen der weigen und vielseitig verwendbaren
Bauelemente gering ist, kann der hochempfindliche Gelber äußerst widerstandsfähig
gegen chemische und mechanische Einflüsse aufgebaut werden. Die offensichtlichen
Vorzüge des induktiven Gebers lassen sich so mit gesteigerter meßtechnischer Leistung
verl>inden.
-
Die Anordnung gestattet die Anwendung sowohl der Nullmethode mit
selbsttätiger Kompensation auf der Geberseite als auch der Ausschlagmethode mit
selbsttätiger Kompensation auf der Geberseite.
-
Da die Einstellgeschwindigkeit genau wie die maguetische Dämpfung
mit Hilfe eines derartigen Spulensystems in Abhängigkeit von der Weite der Kernauswanderung
stufenlos gesteuert werden kann, wird eine ungewöhnlich hohe und pendelfreie Nullpunktseinstellung
sowie Unempfindlichkeit gegen Druckstöße gewährleistet. Die Anordnung gestattet
die teilweise Unterdrückung von Meßwertbereichen bzw. Einstellung eines verschobenen
Nullpunktes durch eine elektrische oder mechanische Begrenzung des Spulen-oder Kernweges
und erlaulit die Auslösung von Endocler Zwischenstellungen mit rein induktiver Steuerung,
cl. h. ohne bewegliche Kontakte eines Endsohalters und ohne Rückwirkungen auf den
Meßvorgang.
-
Trotz der hohen Empfindlichkeit der Anzeige riecht fiir die weitaus
meisten Anwendungszwecke das 50-Hz-Netz als zuverlässiger und billiger Oszillator
für die Erregerkreise aus. da das VErfahren als Kompensationsverfahren praktisch
weder frequenz- noch spannungsabhängig ist.
-
Schließlich gestattet der Aufbau aus Teilspulen eine Vielzahl von
Schaltungen und kann jede Gebereinrichtung ohne weiteres für andere Meßbedingungen
eingerichtet werden.
-
Die Justierung der Anlage auf die jeweils gewünschte Empfindlichkeit
und die Abgleichung auf die Bezugsstellung kann in einfachster Weise durch Anderung
der Spulenabstände vorgenommen werden.
-
PATENTANspnÜcHE: 1. Anordnung zur induktiven Abtastung und Übertragung
einer beliebigen Meßgröße, wie Länge, Druck, Temperatur, auf mechanische, elektrische
oder sonstige Anzeige-, Registrier-, Regel-oder Fernmeßeinrichtungen, bei der ein
oder mehrere wechselstromerregte Spulensysteme in ihrer Stellung zu zugehörigen
Kernsystemen so abgeglichen sind, daß durch die Meßgröße verursachte Verschiebungen
zwischen Spulen- und Kernsystem aus einer vorbestimmten neutralen Bezugsstellung
eine Verstelleinrichtung steuern. dadurch gekennzeichnet, daß Erreger-, Such- und
Abgleichspulen am Meßort zusammengefaßt sind und von dem gleichen Kernsystem beeinflußt
werden und daß die Bezugsstellung und das damit gegebene Stellungs- und Abgleichverhältnis
zwischen Spulensystem und Kernsystem bei einer Änderung der Meßgröße unmittelbar
am Meßort wiederhergestellt wird, wobei das übertragene oder fernübertragene Maß
der ausgeführten Abgleichbewegung der anzuzeigenden Meßgröße entspricht.