DE1124712B

DE1124712B - Device for displaying the position of a tubular member made of magnetizable material and movable in the longitudinal direction

Info

Publication number: DE1124712B
Application number: DEW22976A
Authority: DE
Inventors: Phineas S Nissenson
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1957-02-26
Filing date: 1958-02-26
Publication date: 1962-03-01

Description

Gerät zum Anzeigen der Stellung eines in Längsrichtung beweglichen rohrförmigen Gliedes aus magnetisierbarem Werkstoff Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Stellungsanzeige eines in Längsrichtung beweglichen rohrförrnigen Gliedes aus magnetisierbarem Werkstoff mit Hilfe einer Vielzahl von während der Bewegung dieses Gliedes nacheinander in dasselbe eingreifenden Induktionsspulen, welche an eine Stromquelle veränderlichen Potentials und an einen Anodenstromkreis zur Messung der in Abhängigkeit von der Stellung des beweglichen Gliedes variierenden Induktanz angeschlossen sind.Device for displaying the position of a longitudinally movable tubular member made of magnetizable material The invention relates to a device to indicate the position of a tubular member movable in the longitudinal direction magnetizable material using a variety of during the movement of this Member one after the other in the same engaging induction coils, which are connected to a Power source of variable potential and to an anode circuit for measurement the inductance which varies depending on the position of the movable member are connected.

Es ist bekannt, die Stellung eines in Längsrichtung beweglichen rohrförmigen Gliedes aus magnetisierbarem Werkstoff mit Hilfe einer Vielzahl von während der Bewegung dieses Gliedes nacheinander in dasselbe eingreifenden Induktionsspulen anzuzeigen, welche an eine Stromquelle veränderlichen Potentials und an einen Außenstromkreis zur Messung der in Abhängigkeit von der Stellung des beweglichen Gliedes variierenden Induktanz angeschlossen sind.It is known the position of a longitudinally movable tubular Link made of magnetizable material with the help of a variety of during the Movement of this member sequentially in the same meshing induction coils indicate which potential to a power source of variable and to an external circuit for measuring the varying depending on the position of the movable member Inductance are connected.

Diese bekannten Geräte arbeiten in gewissen Anwendungsfällen durchaus befriedigend; sie liefern jedoch unzuverlässige oder unrichtige Anzeigen, wenn das bewegte Element durch magnetische Störfelder beeinflußt wird. Dies rührt daher, daß das magnetische Feld das bewegte Element mindestens teilweise sättigt, so daß sich die Induktion der einzelnen Spulen oder Wicklungen nicht verändert, wenn das bewegte Element in ein fremdes Magnetfeld gelangt.These known devices work in certain applications satisfactory; however, they provide unreliable or inaccurate indications when that moving element is influenced by magnetic interference fields. This is because that the magnetic field saturates the moving element at least partially, so that the induction of the individual coils or windings does not change if that moving element gets into a foreign magnetic field.

Infolge dieser Sättigung oder teilweisen Sättigung hört das bewegte Element auf, für die einzelnen magnetischen Flüsse, welche durch die hintereinanderliegenden Spulen oder Wicklungen des Stellungsanzeigers entstehen, einen Weg von geringerer Reluktanz zu erzeugen. Die Folge davon ist, daß die Totalinduktion der Stellung anzeigenden Spulen oder Wicklungen nicht nur nicht ansteigt, wenn das bewegte Element nacheinander die Spulen oder Wicklungen überbrückt, sondern in. manchen Flällen erheblich absinkt.As a result of this saturation or partial saturation, the moving hears Element on, for the individual magnetic fluxes that flow through the one behind the other Coils or windings of the position indicator arise, a way of lesser Generate reluctance. The consequence of this is that the total induction of the position indicating coils or windings not only does not increase when the moving element one after the other bridged the coils or windings, but in some cases drops significantly.

Diese Mängel vermeidet die vorliegende Erfindung dadurch, daß zur Ausschaltung der Einwirkung eines Freindfeldes auf die Anzeige der Stellung des beweglichen Gliedes die Achsen der Induktionsspule senkrecht zur Bewegungsrichtung dieses Gliedes angeordnet sind.The present invention avoids these shortcomings in that for Elimination of the influence of a free field on the display of the position of the movable member the axes of the induction coil perpendicular to the direction of movement this link are arranged.

Es ist zwar auch schon ein System von mehreren veränderbar miteinander gekoppelten Spulen zur Ab- stimmung von Radioempfängern od. dgl. bekannt. Dieses System ist jedoch zur Positionsanzeige des beweglichen Gliedes weder bestimmt, noch geeignet; denn auf dieses bekannte System -wirkt nur ein magnetisches Feld, mit welchem die beweglichen Spulen veränderlich gekoppelt sind.It is true that a system of several coils that are variably coupled to one another for tuning radio receivers or the like is already known. However, this system is neither intended nor suitable for displaying the position of the movable member; because only a magnetic field acts on this known system, with which the movable coils are variably coupled.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe der Schaffung einer weitgehenden Fremdfeldunabhängigkeit besteht überhaupt nicht.The object of the creation on which the present invention is based There is no extensive external field independence at all.

Die Zeichnungen zeigen die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel. Es stellt dar: Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Positionsanzeigers, Fig. 2 die Ansicht zu Fig. 1, wobei gegenüber letzterer Teile weggelassen und andere geschnitten gezeichnet sind, Fig. 3 den Schnitt nach Linie III-111 zu Fig. 1, Fig. 4 das Schaltbild einer Ausführungsforin einer Induktionsbrückenschaltung zum Messen der Anderung der Induktivität der Wicklungen oder Spulen des Positionsanzeigers, Fig. 5 eine graphische Darstellung der durch die Anwesenheit eines sättigenden Magnetfeldes hervorgerufenen Richtung bei Totalinduktion der bisher üblichen Ausführungsformen, Fig. 6 eine graphische Darstellung der Änderung der Induktivität der Spulen oder Wicklungen des erfindungsgemäßen Gerätes durch das bewegte Element, dessen Stellung angezeigt werden soll, Fig. 7 den Längsschnitt durch eine Vorrichtung einer eine lineare Bewegung erzeugenden Vorrichtung in Vereinigung mit einem erfindungsgemäßen Positionsanzeiger.The drawings show the invention using an exemplary embodiment. It shows: FIG. 1 a partial longitudinal section of an embodiment of the position indicator according to the invention, FIG. 2 the view of FIG. 1, with the latter parts being omitted and others being drawn in section, FIG. 3 the section along line III-111 of FIG. 1, Fig. 4, the circuit diagram of a Ausführungsforin an induction bridge circuit for measuring the change in the inductance of the windings or coils of the position indicator, FIG. 5 is a graphical representation of the induced by the presence of a saturating magnetic field direction at Total induction of the usual embodiments, Fig. 6 a graphical representation of the change in the inductance of the coils or windings of the device according to the invention by the moving element whose position is to be displayed, FIG. 7 is a longitudinal section through a device generating a linear motion device according to the invention in association with a position indicator.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Spulen oder Wicklungen des Gerätes zur Stellungsanzeige wird der Vorteil ausgenutzt, daß die Sättigung in einem durch ein magnetisches Feld induzierten magnetischen Werkstoff in einer Richtung erfolgt. Das will besagen, daß der Effekt der Sättigung eines beispielsweise mit einer Elektromagnetwicklung vereinigten magnetischen Kernes nur in der Richtung parallel zur Richtung des die Sättigung verursachenden Flusses der Spule oder Wicklung stattfindet. Sättigung des Kernes oder eines Teiles desselben erfolgt nicht in einer dazu senkrechten Richtung oder in einer Richtung, die mit der Achse des sättigenden Magnetfeldes einen anderen, beträchtlichen Winkel einschließt. Um diese Erscheinung auszunutzen, ist eine Reihe von die Stellung anzeigenden Spulen oder Wicklungen so angeordnet, daß die einzelnen Spulen oder Wicklungen mit ihren Achsen in einem Winkel zu der Längsachse des beweglichen Gliedes, dessen Stellung angezeigt werden soll, orientiert sind. Wenn daher das sich bewegende Glied eine bestimmte Spule oder Wicklung umgibt, dann schließt der Weg des in diesem Glied durch die Spule induzierten Flusses einen Winkel mit der Längsachse des sich bewegenden Gliedes ein. Geht das bewegte Glied sodann durch mehrere äußere magnetische Felder (Störfelder), beispielsweise ein magnetisches Feld, das den Antrieb des bewegten Gliedes bewirkt oder dessen Bewegung anderweitig steuert, dann verläuft der Fluß der Felder gewöhnlich in der L:ängsrichtung des bewegten Gliedes. Demzufolge werden die Wege geringen magnetischen Widerstandes (Reluktanz), die sich den einzelnen Position anzeigenden Spulen oder Wicklungen durch das bewegte Glied bieten, durch das magnetische Fremdfeld nicht beeinträchtigt, weil diese Wege geringer Reluktanz einen Winkel mit der Achse dieses Feldes oder dieser Felder einschließen.In the inventive arrangement of the coils or windings of the Device for position display, the advantage is used that the saturation in one magnetic material induced by a magnetic field in one direction he follows. That is to say that the effect of saturating one for example with an electromagnet winding united magnetic core only in the direction parallel to the direction of the saturation causing flux of the coil or winding takes place. Saturation of the core or a part of it does not take place in one direction perpendicular thereto or in a direction coincident with the axis of the saturating Magnetic field includes another, considerable angle. About this apparition A series of position-indicating coils or windings is to be used arranged so that the individual coils or windings with their axes in one Angle to the longitudinal axis of the movable member whose position is being displayed should, are oriented. Therefore, if the moving member is a certain coil or winding, then the path of the in that link through the coil closes induced flux makes an angle with the longitudinal axis of the moving limb a. If the moving limb then passes through several external magnetic fields (interference fields), for example a magnetic field that drives the moving member or otherwise controls its movement, then the flow of fields is usually in the L: longitudinal direction of the moving limb. As a result, the paths become short Magnetic resistance (reluctance), which are indicated for the individual position Provide coils or windings through the moving member, through the external magnetic field not affected because these low reluctance paths make an angle with the axis Include this field or fields.

Gemäß den Fig. 1 bis 3 besteht das Gerät aus einer Reihe von Spulen oder Wicklungen 20., die je auf einem Kein 22 aus magnetischem Werkstoff gewikkelt sind. Die Keine 22 sind nach Art der Sprossen einer Leiter zwischen einem Paar paralleler Schenkel oder Wangen 24 angeordnet. Die Schenkel 24 bestehen aus nichtmagnetischem Werkstoff und greifen an einem Ende gleitend in einen Abschlußteil 25 ein, während sie an dem anderen Ende durch Mittel befestigt sind, die im Zusammenhang mit Fig. 7 beschrieben werden. Die Keine 22 sind an ihren Enden in Ausnehmungen 26 der Schenkel 24 eingefügt; diese Ausnehmungen sind in entsprechenden Abständen über die Länge der Schenkel verteilt. Jeder der letzteren ist mit einer Reihe von Querschlitzen 28 und 29 versehen, die sich abwechselnd von den beiden Seiten 30 und 31 her nach innen bis zu den öffnungen 26 erstrecken, um den Effekt der kurzgeschlossenen Windung auszuschalten, wenn die Schenkel 24 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff bestehen (wie nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung) und da die Wicklungen oder Spulen 20 durch ein fluktuierendes oder Wechselstrompotential erregt werden. Zur Erregung der Spulen oder Wicklungen kann irgendein steigendes und fallendes Potential verwendet werden, sofern die Schwankungen rasch genug erfolgen, um den üblichen Induktionseffekt zu erzeugen. Die Schlitze 28 und 29 sind deshalb abwechselnd von beiden Seiten her in die Schenkel 24 eingearbeitet, um die mechanische Festigkeit der letzteren zu erhöhen. Obgleich der erfindungsgemäße Positionsanzeiger in befriedigender Weise arbeitet, wenn die Schenkel 24 aus nichtmagnetischem, elektrisch leitendem Werkstoff bestehen und die Schlitze 28 und 29 weggelassen werden können, so wurde doch gefunden, daß die Anbringung dieser Schlitze die Totalinduktivität der Spulen 20 unter Ausschaltung des Effektes der kurzgeschlossenen Windung erhöht.According to FIGS. 1 to 3 , the device consists of a series of coils or windings 20, which are each wound on a slot 22 made of magnetic material. The holes 22 are arranged between a pair of parallel legs or cheeks 24 in the manner of the rungs of a ladder. The legs 24 are made of non-magnetic material and engage at one end slidably received in a terminating part 25, while they are fixed at the other end by means which will be described in connection with Fig. 7. The ends 22 are inserted into recesses 26 of the legs 24; these recesses are distributed at corresponding intervals over the length of the legs. Each of the latter is provided with a series of transverse slots 28 and 29 which alternately extend inwardly from the two sides 30 and 31 to the openings 26 in order to eliminate the effect of the short-circuited turn when the legs 24 are made of an electrically conductive Material (as in one embodiment of the invention) and because the windings or coils 20 are excited by a fluctuating or alternating current potential. Any rising or falling potential can be used to excite the coils or windings, provided that the fluctuations are rapid enough to produce the usual induction effect. The slots 28 and 29 are therefore machined alternately from both sides into the legs 24 in order to increase the mechanical strength of the latter. Although the position indicator according to the invention works in a satisfactory manner when the legs 24 are made of non-magnetic, electrically conductive material and the slots 28 and 29 can be omitted, it has been found that the attachment of these slots reduces the total inductance of the coils 20 while eliminating the effect of short-circuited turn increased.

Für den Betrieb in einem gekapselten System oder zum Schutz der Spulen oder Wicklungen 20 gegen Beschädigung durch das bewegte Element sind die Spulen und die obengenannte Leiterkonstruktion, in welche die Spulen montiert sind, in einem rohrförmigen Gehäuse 32 eingeschlossen, das aus nichtmagnetischem Werkstoff besteht und an einem Ende mit einem Verschlußstopfen 34 versehen ist. Das andere Ende des rohrförmigen Gehäuses 32 ist in ähnlicher oder auf andere Weise abgeschlossen. Der Stopfen 34 hat gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung einen sich nach außen konisch verjüngenden Teil 36, um die Bewegung von Elementen bestimmter Form, deren Stellung relativ zu dem Spulensystern angezeigt werden soll, zu erleichtern.For operation in an encapsulated system or to protect the coils or windings 20 from damage by the moving element, the coils and the aforementioned conductor structure in which the coils are mounted are enclosed in a tubular housing 32 made of non-magnetic material and on is provided with a plug 34 at one end. The other end of the tubular housing 32 is similarly or otherwise closed. According to an embodiment of the invention, the plug 34 has an outwardly conically tapering part 36 in order to facilitate the movement of elements of a certain shape, the position of which is to be displayed relative to the coil system.

Die Leiterkonstruktion der Spulen 20 liegt zweckmäßig parallel zur Bewegungsrichtung eines beweglichen Elementes 38, das im Beispielsfalle die Form eines Rohres besitzt und mindestens teilweise aus magnetischem Werkstoff besteht. Das bewegliche Element 38 erhöht auf seinem Weg sukzessive die Induktivität jeder der Spulen oder Wicklungen 20 dadurch, daß es für mindestens einen Teil des magnetischen Flusses derselben einen Weg von verringerter Reluktanz erzeugt. Zu diesem Zweck kann das bewegliche Element 38 das Spulensystern mindestens teilweise umschließen oder, wie aus Fig. 3 ersichtlich, in Form eines Rohres ausgebildet sein, welches verhältnismäßig dicht an dem Gehäuse 32 liegt und dieses vollständig umschließt, wenn das Spulensystem in das Rohr 38 eingeschoben ist. Bei dieser Anordnung ergibt sich ein Umfangsweg von geringerer Reluktanz für jeden der Kerne 20 bei Überbrückung durch das Rohr 38, wie durch Pfeile 39 in Fig. 3 angedeutet. Die Leiterkonstruktion mit den Spulen20 hat eine Länge, die im wesentlichen gleich ist dem gewünschten Weg oder Hub, den das bewegliche Ele- ment 38 zurücklegen soll. Es wird daher, wenn dieses Element seinen Weg zurücklegt, im Beispielsfalle ist es ein geradliniger Weg, die Gesamtinduktion der leiterförmig angeordneten Spulen oder Wicklungen vergrößern bzw. verkleinern, weil das sich bewegende Element 38 mehr oder weniger die Stellung anzeigenden Spulen 20 überbrückt. Zur Anzeige der Änderung der Induktion der Spulen 20 sind letztere an eine Meß- und Anzeigeeinrichtung angeschlossen; letztere soll die Stellung des bewegten Elementes im Zeitpunkt der Messung erkennen lassen. Es ist wünschenswert, die Spulen 20 so in Reihe zu schalten, daß die Enden 35 oder 37 (Fig. 1) der querliegenden Keine 22 an den Schenkeln 24 bzw. alle die gleiche Polarität besitzen. Obwohl bei dieser Anordnung eine geringere Totalinduktivität durch die Spulen entsteht, wird die Änderung der Induktivität durch Bewegung des Elementes, dessen Stellung angezeigt werden soll, größer, als wenn benachbarte Enden 35 oder 37 eines Kernpaares entgegengesetzt gerichtete magrietische Pole sind. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß, wenn dieSpulen in dieserWeise angeordnet sind, praktisch kein Fluß einer bestimmten Spule durch die Keine benachbarter Spulen gehen kann; demzufolge wird ein Weg hoher Permeabilität nur durch das sich bewegende Element 38 geboten, weil die anderen Teile der Konstruktion aus nichtmagnetisierbarem Werkstoff bestehen, wie oben dargetan.The conductor construction of the coils 20 is expediently parallel to the direction of movement of a movable element 38, which in the example has the shape of a tube and consists at least partially of magnetic material. The movable element 38 successively increases the inductance of each of the coils or windings 20 as it travels by creating a path of reduced reluctance for at least a portion of the magnetic flux thereof. To this end, the movable member 38, the Spulensystern at least partially enclose or, as shown in Fig. 3, be in the form of a tube, which lies relatively close to the housing 32, and this completely encloses when the coil system is inserted into the tube 38 is. In this arrangement, a circumferential path of lower reluctance is obtained for each of the cores 20 indicated at lock-up through the tube 38 as indicated by arrows 39 in FIG. 3. The conductor construction with the coils 20 has a length which is essentially the same as the desired path or stroke which the movable element 38 is to cover. When this element travels its path, in the example case it is a straight path, the total induction of the coils or windings arranged in the form of a ladder will increase or decrease because the moving element 38 more or less bridges the coils 20 indicating the position. To display the change in the induction of the coils 20, the latter are connected to a measuring and display device; the latter should show the position of the moving element at the time of the measurement. It is desirable to connect the coils 20 in series so that the ends 35 or 37 (FIG. 1) of the transverse nipples 22 on the legs 24 or all have the same polarity. Although this arrangement results in a lower total inductance through the coils, the change in inductance due to movement of the element whose position is to be displayed is greater than if adjacent ends 35 or 37 of a core pair are oppositely directed magnetic poles. This arises from the fact that when the coils are arranged in this way, virtually no flux from any given coil can pass through the none of neighboring coils; consequently, a high permeability path is only offered through the moving member 38 because the other parts of the structure are made of non-magnetizable material, as indicated above.

Zur Messung der Änderung der Induktivität der Spulen oder Wicklungen dient beispielsweise die Schaltung gemäß Fig. 4. Es handelt sich dabei um eine Brückenschaltung, in welcher die Spulen 20 in Reihe liegen mit einem veränderlichen Widerstand R, eines Armes oder Zweiges der Brücke, deren benachbarter Zweig einen konstanten Kondensator C, und einen veränderlichen Widerstand R, umfaßt. An diesen beiden Armen oder Zweigen liegt ein Voltmeter 40 oder ein anderes geeignetes Anzeigegerät oder aber gegebenenfalls Mittel (nicht gezeichnet) zur Steuerung der Bewegung des Elementes 38. In den beiden restlichen Armen oder Zweigen der Brücke befindet sich ein konstanter Widerstand R3 bzw. ein konstanter Kondensator C.. Die beiden Paare von gegenüberliegenden Armen oder Zweigen der Brücke sind zum Betrieb des Brückenkreises und zur Versorgung der die Stellung anzeigenden Spulen oder Wicklungen 20 an ein Wechselstrompotential oder ein fluktuierendes Strompotential 42 angeschlossen. Durch geeignete Einstellung der veränderlichen Widerstände Ri und R, wird der Brückrnkreis der Fig. 4 in elektrisches Gleichgewicht gebracht mit der Induktanz L der Stellung anzeigenden Spulen oder Wicklungen 20 und mit dem ohmschen Widerstand r derselben bei einer Bezugsstellung des sich bewegenden Gliedes. Eine solche Stellung kann so gewählt werden, daß das vordere Ende 44 des beweglichen Elementes 38 nächst dem Endglied 25 liegt, d. h. an einem Ende der Reihe von Spulen der Leiterkonstruktion, wobei alle diese Spulen frei liegen, oder aber bei irgendeiner anderen Stellung des beweglichen Elementes 38. To measure the change in the inductance of the coils or windings, for example, the circuit shown in FIG Branch comprises a constant capacitor C and a variable resistor R. A voltmeter 40 or another suitable display device or, if necessary, means (not shown) for controlling the movement of the element 38 is connected to these two arms or branches. In the two remaining arms or branches of the bridge there is a constant resistor R3 or a constant one Capacitor C .. The two pairs of opposite arms or branches of the bridge are connected to an alternating current potential or a fluctuating current potential 42 for operating the bridge circuit and for supplying the coils or windings 20 indicating the position. By suitably setting the variable resistances Ri and R, the bridge circuit of FIG. 4 is brought into electrical equilibrium with the inductance L of the position-indicating coils or windings 20 and with the ohmic resistance r of the same at a reference position of the moving member. Such a position can be chosen so that the front end 44 of the movable member 38 is closest to the end link 25 , i.e. H. at one end of the row of coils of the ladder structure, all of these coils being exposed, or at any other position of the movable element 38.

Im Gleichgewicht erfüllt die Brücke folgende bekannte Bedingungen: C2R3 = C, (R, + r), wobei r der ohmsche Widerstand oder Gleichstromwiderstand der Spulen oder Wicklungen 20 ist, und L = C2R,R3' worin L die Induktanz der die Stellung anzeigenden Spulen 20 ist.In equilibrium, the bridge fulfills the following known conditions: C2R3 = C, (R, + r), where r is the ohmic resistance or DC resistance of the coils or windings 20, and L = C2R, R3 'where L is the inductance of the coils indicating the position 20 is.

Indessen ist für den Zweck der Bestimmung der Position des aus der Bezugsstellung bewegten Gliedes nur die Änderung der Induktanz der Spulen oder Wicklungen 20 von Bedeutung und nicht der absolute Wert der Induktanz. Diese Änderung der Induktanz wird durch das Voltmeter 40 angezeigt.Meanwhile, for the purpose of determining the position of the from the Reference position moving member only changes the inductance of the coils or windings 20 of importance and not the absolute value of the inductance. This change in inductance is indicated by the voltmeter 40.

Wenn der Brückenkreis im Gleichgewicht ist und das Meßgerät 40 auf Null steht, dann verursacht eine Bewegung des Gliedes 38 aus seiner Bezugsstellung eine Störung des Gleichgewichtes der Meßbrücke und damit den Ausschlag des Meßgerätes 40. Dieser Ausschlag ist somit ein Maß für die Bewegung des Elementes 38 und damit für seine Stellung gegenüber der Bezugsstellung. Das Meßgerät 40 kann so geeicht werden, daß es die Entfernung des beweglichen Gliedes 38 von dem Bezugspunkt aus anzeigt. Häufig wird das erfindungsgemäße Gerät zusammen mit einem oder mehreren Frenidmagnetfeldern oder in der Nähe von solchen verwendet. In Fig. 1 ist ein solches Fremdmagnetfeld durch einen Elektromagneten 46 angedeutet. Letzterer oder zusätzliche magnetische Geräte (z. B. der Stator 60 der Fig. 7) können dazu dienen, dem beweglichen Element 38 eine geradlinige Bewegung zu vermitteln oder einen geeigneten Mechanismus für anderweitige Steuerung der Bewegung des Elementes 38 zu betätigen. Bei noch weiteren Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung umfaßt der Elektromagnet 46 den Stator oder eine Vielzahl von Solenoiden einer an sich bekannten Vorrichtung (nicht gezeichnet) zur Erzeugung einer geradlinigen Bewegung, wobei diese Vorrichtung dem Antrieb des beweglichen Elementes 38 dient. Wenn sich das Element 38 in der Nähe eines magnetischen Feldes befindet, so kommt es häufig vor, daß dieser magnetische Fluß in der Längsrichtung des Elementes 38 induziert wird, wie durch Pfeile 48 angedeutet. Wenn das Ende 44 des Elementes in dieses Feld eintritt, dann erstreckt sich der Fluß auf einige Entfernung längs des Elementes 38, wie durch Pfeile 50 angedeutet. Bei den früher bekannten Ausführungsformen, bei welchen die Stellung anzeigenden Spulen so orientiert waren, daß ihre Achsen parallel zu der Achse des äußeren fremden Feldes oder in diesem Fall zur Längsachse des beweglichen Elementes verliefen, hört daher dieses Element auf, einen Weg von geringerer Reluktanz für die von den einzelnen Stellung anzeigenden Spulen oder Wicklungen erzeugten magnetischen Felder zu geben. Die Induktanz der bekannten Geräte veränderte sich daher nichtlinear mit der Größe des Weges oder des Elementes 38, so daß dessen richtige Stellung nicht angezeigt wurde. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform hingegen sind mindestens jene Spulen oder Wicklungen, die sich in der Nähe des fremden magnetischen Feldes befinden, so angeordnet, daß der Weg ihres Flusses durch das Element 38 im Winkel zu den voraussichtlichen Flußwegen des Fremdfeldes durch dieses Element steht.If the bridge circle is in equilibrium and the measuring device 40 is at zero, then a movement of the member 38 from its reference position causes a disturbance of the equilibrium of the measuring bridge and thus the deflection of the measuring device 40. This deflection is thus a measure of the movement of the element 38 and thus for its position in relation to the reference position. The meter 40 can be calibrated to indicate the distance of the movable member 38 from the reference point. The device according to the invention is often used together with one or more Frenid magnetic fields or in the vicinity of such. In FIG. 1 , such an external magnetic field is indicated by an electromagnet 46. The latter or additional magnetic devices (e.g. the stator 60 of FIG. 7) can serve to impart a rectilinear movement to the movable element 38 or to actuate a suitable mechanism for otherwise controlling the movement of the element 38. In still further possible applications of the invention, the electromagnet 46 comprises the stator or a plurality of solenoids of a device known per se (not shown) for generating a linear movement, this device serving to drive the movable element 38. When element 38 is in the vicinity of a magnetic field, it often happens that this magnetic flux is induced in the longitudinal direction of element 38 , as indicated by arrows 48. When the end 44 of the element enters this field, the flow extends for some distance along the element 38 as indicated by arrows 50. In the earlier known embodiments in which the position indicating coils were oriented so that their axes were parallel to the axis of the external extraneous field or in this case to the longitudinal axis of the movable element, this element therefore ceases to have a path of lower reluctance for to give the magnetic fields generated by the individual position indicating coils or windings. The inductance of the known devices therefore varied non-linearly with the size of the path or the element 38, so that its correct position was not indicated. In the embodiment according to the invention, however, at least those coils or windings which are in the vicinity of the external magnetic field are arranged so that the path of their flow through the element 38 is at an angle to the probable flow paths of the external field through this element.

Wie aus Fig. 5 erkennbar, ergab bei den bekannten Geräten mit einer Reihe von koaxial zu dem beweglichen Element liegenden Spulen oder Wicklungen und einem äußeren Fremdfeld, beispielsweise des Elektromagneten 46 der Fig. 1, die durch letzteren in dem beweglichen Element erzeugte Sättigung eine nichtlineare, variable Abhängigkeit zwischen der Induktanz der die Stellung anzeigenden Spulen oder Wicklungen und der Lage des beweglichen Elementes. Die Induktanzkurve dieser bekannten Geräte nimmt den in Fig. 5 in 52 bezeichneten Verlauf: sie stellt die Änderung der Spannung an der Ausgangsseite der Brücke (Fig. 4) in Abhängigkeit von dem Weg oder Hub des Elementes 38 dar; diese Spannung ändert sich linear mit der Änderung der Induktanz der die Stellung anzeigenden Spulen oder Wicklungen. Durch das Vorhandensein des äußeren Fremdfeldes jedoch wird die Kurve 52 verzerrt, was zur Folge hat, daß die wirkliche Stellung oder Lage des beweglichen Elementes im Bereich des elektromagnetischen Fremdfeldes oder in der Nähe desselben nicht bestimmt werden kann. Denn in diesem Falle tritt bei Annäherung des beweglichen Elementes an ein Sättigungsfeld eine Schwächung der Totalinduktanz des Anzeigegerätes ein, wie durch eine Senkung 54 der Kurve 52 angedeutet. Diese Minderung der Induktanz wird, wie schon erwähnt, dadurch verursacht, daß sich der Sättigungsfluß des Fremdfeldes über eine gewisse Entfernung koaxial durch das bewegliche Glied erstreckt, wenn das vordere Ende desselben in den Einwirkungsbereich des Störfeldes gelangt, aber auch durch den Umstand, daß der koaxiale Kein der bisher bekannten Anordnung der Spulen in der Nähe des Fremdfeldes mindestens teilweise gesättigt wurde. Daß Ausmaß der auf diese Weise hervorgerufenen Verzerrung ergibt ein Vergleich der Kurve52 mit einer Kurve56, welche die Abhängigkeit zwischen der Änderung der Ausgangsspannung der Brücke (Fig.4) und dem Hub oder Weg des beweglichen Elementes zeigt, wenn das äußere Fremdfeld ohne Wirkung ist.As can be seen from FIG. 5 , in the known devices with a series of coils or windings lying coaxially to the movable element and an external external field, for example the electromagnet 46 of FIG. 1, the saturation produced by the latter in the movable element resulted in a nonlinear saturation , variable dependence between the inductance of the position-indicating coils or windings and the position of the movable element. The inductance curve of these known devices takes the course indicated in FIG. 5 in 52 : it represents the change in the voltage on the output side of the bridge (FIG. 4) as a function of the path or stroke of the element 38 ; this voltage changes linearly with the change in the inductance of the position indicating coils or windings. Due to the presence of the external external field, however, the curve 52 is distorted, with the result that the real position or location of the movable element in the area of the external electromagnetic field or in the vicinity thereof cannot be determined. In this case, when the movable element approaches a saturation field, the total inductance of the display device is weakened, as indicated by a depression 54 in curve 52 . As already mentioned, this reduction in inductance is caused by the fact that the saturation flux of the external field extends coaxially over a certain distance through the movable member when the front end of the latter comes into the area of influence of the interference field, but also by the fact that the coaxial None of the previously known arrangement of the coils in the vicinity of the external field was at least partially saturated. The extent of the distortion caused in this way shows a comparison of the curve 52 with a curve 56 which shows the relationship between the change in the output voltage of the bridge (FIG. 4) and the stroke or path of the movable element when the external external field has no effect.

Wie oben beschrieben, wird erfindungsgemäß dieser Fehler dadurch beseitigt, daß die Längsachsen der Spulen oder Wicklungen, d. h. die Achsen der Felder derselben, mit der Achse des äußeren magnetischen Störfeldes einen rechten Winkel bilden. Da die durch den äußeren Fluß erzeugte Sättigung nur in der Richtung parallel zur Richtung dieses Flusses stattfindet, so beeinträchtigt diese Sättigung die individuellen Felder der die Stellung anzeigenden Spulen oder Wicklungen dann nicht, wenn letztere in eben dieser Weise angeordnet sind.As described above, according to the invention, this error is eliminated in that the longitudinal axes of the coils or windings, i. H. the axes of the fields of the same form a right angle with the axis of the external magnetic interference field. Since the saturation produced by the external flux takes place only in the direction parallel to the direction of this flux, this saturation does not affect the individual fields of the coils or windings indicating the position if the latter are arranged in this way.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, nimmt dann die Kurve 58, welche die Änderung der Induktanz der die Stellung anzeigenden Spulen oder Wicklungen in Abhängigkeit von dem Hub oder Weg des beweglichen Elementes darstellt, einen gestreckten, geradlinigen Verlauf, und es wird die tatsächliche Stellung des beweglichen Elementes richtig angezeigt. Die Kurve 58 der Fig. 6 und die Kurve 52 der Fig. 5 wurden experimentell bestimmt; das erfindungsgemäße Gerät zur Stellungsanzeige und das zum Vergleich benutzte bekannte Positionsgerät wurden dabei unter sonst völlig übereinstimmenden Bedingungen in demselben axialen Gleichstrom-Elektromagnetfeld benutzt. So hat sich durch Versuch gezeigt, daß ein Sättigungsfluß eines magnetischen Störfeldes auf den Weg der Flüsse der einzelnen die Stellung oder Lage anzeigenden Spulen oder Wicklungen so gut wie keine Wirkung ausübt, wenn diese Spulen oder Wicklungen so angeordnet sind, daß die Achsen ihrer Felder je einen rechten Winkel mit der Achse des Sättigungsfeldes einschließen.As can be seen from FIG. 6 , the curve 58, which represents the change in the inductance of the position-indicating coils or windings as a function of the stroke or path of the movable element, then takes an elongated, straight course, and the actual position of the moving element is displayed correctly. Curve 58 of FIG. 6 and curve 52 of FIG. 5 were determined experimentally; the device according to the invention for indicating the position and the known position device used for comparison were used under otherwise completely identical conditions in the same axial direct current electromagnetic field. Thus, it has been found by experiment that a saturation flux exerting a magnetic interference field on the path of the flows of the individual, the position or position indicating coil or coils is almost no effect when these coils or windings are arranged so that the axes of their fields per make a right angle with the axis of the saturation field.

Die Fig. 7 erläutert die Verwendung des Gerätes in Verbindung mit einer eine geradlinige (lineare) Bewegung erzeugenden Vorrichtung. Hierbei sind die die Stellung oder die Lage anzeigenden Spulen oder Wicklungen mit dieser Vorrichtung zusammengebaut, die einen Stator60, einen Einzelpol-Rotor62 und einen Antriebsmechanismus 64 umfaßt, welch letzterer aus einer rollengelagerten Triebniutter besteht. Diese ist so ausgebildet, daß sie in eine Leitspindel 66 eingreifen kann, mit welcher beispielsweise der Steuerhebel eines Kernreaktors verbunden sein kann. Der Triebmechanismus 64 wird durch eine Vielzahl von schwenkbar gelagerten Armen 68 getragen, die um ihre Drehpunkte eine begrenzte Schwenkbewegung ausführen können, um den Triebmechanismus 64 im Verhältnis zur Leitspindel 66 zum Eingriff oder außer Eingriff zu bringen. Die Schwenkbewegung eines jeden der Arme 68 wird durch eine Klinke 70 gesteuert. Ein Teil dieser Klinke erstreckt sich in das wirksame Feld eines Gleichstrom-Elektromagneten 72; wenn dieser erregt wird, bewegt sich die Klinke entgegen der Wirkung einer Belastungsfeder 74 nach links.FIG. 7 explains the use of the device in connection with a device producing a straight line (linear) movement. Here, the position or position indicating coils or windings are assembled with this device, which comprises a stator 60, a single-pole rotor 62 and a drive mechanism 64, the latter consisting of a roller-mounted drive nut. This is designed so that it can engage in a lead screw 66 to which, for example, the control lever of a nuclear reactor can be connected. The drive mechanism 64 is supported by a plurality of pivotably mounted arms 68 which can execute a limited pivoting movement about their pivot points in order to bring the drive mechanism 64 in relation to the lead screw 66 into engagement or disengagement. The pivoting movement of each of the arms 68 is controlled by a pawl 70 . Part of this pawl extends into the effective field of a direct current electromagnet 72; when this is excited, the pawl moves against the action of a loading spring 74 to the left.

Die Leitspindel 66 ist als langgestrecktes, mit Gewinde versehenes Rohr ausgebildet, in welcher die obenerwähnte, die Anzeigespule 20' tragende Leiterkonstruktion eingefügt ist. Jede dieser Spulen ist im Verhältnis zu dem Elektromagneten 72 um einen rechten Winkel gedreht. Die Gesamtzahl der Spulen oder Wicklungen 20', von denen jede auf einem Kein 22' sitzt, und die Länge der Seitenschenkel 24' sind so gewählt, daß der Positionsanzeiger sich im wesentlichen über die ganze Länge des Hubes oder Weges der Leitspindel 66 erstreckt.The lead screw 66 is formed as an elongated, threaded tube in which the aforementioned conductor structure carrying the display coil 20 'is inserted. Each of these coils is rotated at right angles with respect to the electromagnet 72. The total number of coils or windings 20 ', each of which is seated on a slot 22', and the length of the side legs 24 'are selected so that the position indicator extends over substantially the entire length of the stroke or path of the lead screw 66.

Die Spulen oder Wicklungen 20', die zugehörigen Keine 22' und die Seitenschenkel 24' der Leiterkonstruktion sind in ein langgestrecktes, rohrförmiges Gehäuse 76 aus nichtmagnetischem Werkstoff eingebaut. Dieses Gehäuse 76 ist an einem Ende starr verbunden, z. B. mit dem Rahmen 78 der die lineare Bewegung erzeugenden Vorrichtung. An einem Ende der Seitenschenkel 24' ist ein rohrförmiger Montageträger 80 befestigt, der in Zusammenwirkung mit Schraubenbolzen und Muttern 81 dazu dient, die Seitenschenkel und die Spulen oder Wicklungen 20' in Stellung zu halten. Diese Schraubenbolzen und die zugehörigen Bohrungen 83 sind von solcher Länge, daß die Leiterkonstruktion in der Achsrichtung einjustiert werden kann, um sie relativ zur Leitspindel 66 genau in eine ausgewählte Bezugsstellung bringen zu können.The coils or windings 20 ', the associated slots 22' and the side legs 24 'of the conductor construction are built into an elongated, tubular housing 76 made of non-magnetic material. This housing 76 is rigidly connected at one end, e.g. B. with the frame 78 of the linear motion generating device. At one end of the side legs 24 ', a tubular mounting bracket 80 is attached which, in cooperation with screw bolts and nuts 81 , serves to hold the side legs and the coils or windings 20' in position. These screw bolts and the associated bores 83 are of such a length that the conductor structure can be adjusted in the axial direction in order to be able to bring them precisely into a selected reference position relative to the lead screw 66.

Die Seitenschenkel 24' sitzen gleitend auf Flächen 85 eines kegelstumpfförmigen Stopfens 82, der sich an dem freien Ende des Gehäuses 76 befindet. Die kegelstumpfförmig ge Ausbildung des Stopfens 82 erleichtert das Einführen des Gehäuses 76 und der von diesem Gehäuse eingeschlossenen Anzeigespulen 20' in das Innere der Leitspindel, wenn letztere relativ zu den Stellung anzeigenden Spulen oder Wicklungen durch den Antriebsmechanismus 64 bewegt wird. Fig. 7 zeigt die 'Leitspindel 66 in ihrer innersten Stellung relativ zu der die lineare Bewegung erzeugenden Vorrichtung, so daß der Positionsanzeiger völlig in den Hohlraum 84 der Leitspindel 66 eingreift. In dieser Stellung schließt die Leitspindel im wesentlichen alle Spulen oder Wicklungen 20' ein; demzufolge ergibt sich ein Maximum an Induktivität durch den Positionsanzeiger, der seinerseits ein Maximum an Verstimmung der Ausgangsspannung des Brückenkreises (Fig. 4) oder eines anderen die Induktivität anzeigenden oder messenden Gerätes erzeugt. Die Spulen oder Wicklungen 20' sind wie an Hand der Fig. 1 in Serie verbunden; die Anschlüsse sind durch das offene Ende des rohrförmigen Gehäuses 76 und durch ein Klemmorgan 80 nach außen geführt, welch letzteres zu diesem Zweck mit einer durchgehenden Bohrung 86 versehen ist, die mit dem rohrförmigen Gehäuse 76 kommuniziert.The side legs 24 'are slidably seated on surfaces 85 of a frustoconical plug 82 located at the free end of the housing 76 . The frustoconical design of the plug 82 facilitates the introduction of the housing 76 and the indicator coils 20 'enclosed by this housing into the interior of the lead screw when the latter is moved by the drive mechanism 64 relative to the position indicating coils or windings. 7 shows the lead screw 66 in its innermost position relative to the device generating the linear movement, so that the position indicator fully engages in the cavity 84 of the lead screw 66. In this position the lead screw essentially encloses all of the coils or windings 20 '; consequently, a maximum of inductivity results from the position indicator, which in turn generates a maximum of detuning of the output voltage of the bridge circuit (FIG. 4) or of another device that displays or measures the inductance. The coils or windings 20 'are connected in series as shown in FIG. 1; the connections are passed through the open end of the tubular housing 76 and to the outside through a clamping member 80 , the latter being provided with a through bore 86 for this purpose, which communicates with the tubular housing 76.

Es ist ersichtlich, daß in diesem Anwendungsfall sämtliche die Stellung anzeigenden Spulen oder Wicklungen 20' mit ihren Feldern im rechten Winkel zu dem Feld der elektromagnetischen Spule 72 liegen; dies hat zur Folge, daß die Wege der Flüsse der Spulen oder Wicklungen 20' in gleicher Weise einen rechten Winkel einschließen mit dem Weg des unvermeidlichen Sättigungsflusses des Elektromagneten 72, da letzterer axial zu der Leitspindel 66 liegt. Für den Fall, daß der erfindungsgemäße Positionsanzeiger zusammen mit anderen Typen von Vorrichtungen zur Erzeugung einer linearen Bewegung Verwendung findet, beispielsweise in Verbindung mit einem Gleichstromstator oder einem Winkelrotor, wird der Positionsanzeiger ebenfalls so angeordnet, daß seine einzelnen Spulen oder Wicklungen einen rechten Winkel mit der Wicklung des Rotors oder Stators dieser Vorrichtung einschließen.It can be seen that in this application all the position-indicating coils or windings 20 'with their fields are at right angles to the field of the electromagnetic coil 72 ; This has the consequence that the paths of the fluxes of the coils or windings 20 'in the same way enclose a right angle with the path of the inevitable saturation flux of the electromagnet 72, since the latter lies axially to the lead screw 66. In the event that the position indicator according to the invention is used together with other types of devices for generating a linear movement, for example in connection with a direct current stator or an angular rotor, the position indicator is also arranged so that its individual coils or windings are at right angles to the Include winding of the rotor or stator of this device.

Wie schon oben angedeutet, zeichnet sich das erfindungsgemäße Stellungsanzeigegerät dadurch aus, daß die Stellung eines beweglichen Elementes relativ zu dem Gerät bei Anwesenheit eines fremden magnetischen Feldes nicht verzerrt bzw. falsch angezeigt wird. Wenn auch die Erfindung beispielsweise beschrieben wurde in Verbindung mit bestimmten Formen einer eine geradlinige Bewegung erzeugenden Vorrichtung, so leuchtet doch ein, daß die Erfindung auf den vorliegenden Anwendungsfall nicht beschränkt ist, sondern gleichermaßen auch in solchen Flällen angewendet werden kann, in denen das sich bewegende Element auf einer vorgeschriebenen, nicht geradlinigen Bahn bewegL Beispielsweise kann die beschriebene Leiterkonstruktion auch bogenförmig ausgebildet sein, wenn dies die Bewegungsbahn des Elementes, dessen Stellung oder Hub gezeigt oder zur Darstellung gebracht werden soll, erfordert.As already indicated above, the position indicator device according to the invention is distinguished characterized in that the position of a movable element relative to the device at Presence of an external magnetic field not distorted or incorrectly displayed will. For example, although the invention has been described in connection with certain forms of a device producing a straight line movement, then lights up but one that the invention is not limited to the present application but can also be used in cases where move the moving element on a prescribed, non-rectilinear path For example, the ladder construction described can also be arcuate if this shows the path of movement of the element, its position or stroke or is to be displayed, requires.

Claims

PATENT APPROACH 1. Device for displaying the position of a longitudinally movable tubular member made of magnetizable material with the help of a plurality of during the movement of this member one after the other engaging induction coils, which are connected to a power source of variable potential and to an external circuit for measuring the depending on the position of the movable member are connected to varying inductance, characterized in that to eliminate the effect of an external field (46, 72) on the display of the position of the movable member, the axes of the induction coils (20) perpendicular to the direction of movement of this member (38, 66) are arranged.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the cores (22) of the position-indicating coils or windings are arranged in the manner of the rungs of a ladder between a pair of substantially parallel legs (24). 3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the coils or windings (20) and the side legs (24) are enclosed by a housing (32, 76) which can be pushed into the movable tube (38, 66). 4. Apparatus according to claims 1 to 3, characterized in that the side legs (24) are made of electrically conductive material and have a plurality of slots (28, 29) extending from the cores (22) of the coils or windings to the Long edges of the side legs extend. 5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the slots (28, 29) extend from the cores (22) alternately to the two longitudinal edges (30, 31) of the side legs (24). 6. Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the position indicating coils or windings are electrically connected so that the corresponding ends (35) of their none (22) all have the same polarity. 7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it is built into the housing of a linear movement of the movable element (66) driving device, the drive mechanism consisting of a stator (60) also built into this housing, a rotating rotor (62) and a drive (64) connected to this rotor and releasably engaging in the movable element, and that the position-indicating coils or windings (20 ') are arranged so that the individual paths of their fluxes with the path of the fluxes enclose this rotor and this stator angle by the movable element. 8. Apparatus according to claim 7, characterized in that the movable element is a tubular lead screw (66) which passes through the rotor in a central bore thereof, and that the position indicating coils or windings (20 ') with their axes transverse to the axis this lead screw and are attached to one end of said housing in such a way that they extend into the interior of the lead screw when the lead screw is moved through the bore of the rotor. 9. Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that an electromagnetic device (70, 72) is used to couple and uncouple the drive (64) with the movable element (66) or from the same, and the fluxes of the coils or windings (20 ') form a right angle with the flow of the electromagnetic device (70, 72) through the movable element (66). Considered publications: German Patent Specifications No. 755 578, 956 626.