DE1138240B

DE1138240B - Messwertumformer

Info

Publication number: DE1138240B
Application number: DES65064A
Authority: DE
Inventors: Dr Friedrich Kuhrt; Heinrich Grosshans
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-09-23
Filing date: 1959-09-23
Publication date: 1962-10-18
Also published as: US3317829A; CH386123A; GB922571A; NL254347A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S65064IXb/42d

ANMELDETAG: 23. SEPTEMBER 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 18. OKTOBER 1962

Bei Meß-, Steuerungs- und Regelungsvorgängen ist es vielfach erforderlich, mechanische Größen auf elektrischem Wege zu erfassen. So ist es z. B. üblich, die Drehzahl einer Welle dadurch zu ermitteln, daß man sie mittels einer Tachometermaschine in eine analoge elektrische Spannung umwandelt. Diese läßt sich zu Steuerungen und Regelungen heranziehen. Die Genauigkeit eines solchen Meßwertumformers ist jedoch begrenzt. Es bedarf besonderer Mittel, um eine genaue Proportionalität zwischen Spannungshöhe und mechanischer Größe herzustellen.

Die steigenden Anforderungen an die Genauigkeit der Meßwertumformer führen in zunehmendem Maße zur Anwendung digital arbeitender Geräte. In solchen Geräten wird die mechanische Größe in eine Folge elektrischer Impulse verwandelt, von denen entweder die absolute Anzahl oder ihre Häufigkeit in der Zeiteinheit als Meßgröße verwendet wird. Die Amplitude der Impulse dient hierbei nicht zur Messung. Die Meßgenauigkeit kann bei solchen Geräten beliebig gesteigert werden.

Es sind schon Anordnungen bekannt, bei denen eine Längenmessung durch Auszählung von Impulsen vorgenommen wird. Ferner ist es bekannt, die Drehzahl einer Welle als Frequenz einer Impulsfolge darzustellen. Bei einer weiteren bekannten Anordnung wird eine Geschwindigkeit, z. B. eines bewegten Maschinenteils einer Werkzeugmaschine, in eine dieser proportionalen Frequenz umgeformt. Zur Umformung der Meßgröße sind mechanische, induktive, kapazitive und fotoelektrische Impulsgeber verwendet worden. Bei induktiv und kapazitiv wirkenden Meßwertgebern hängt die Impulsamplitude von der Feldstärkenänderung ab. Die Meßgröße kann daher nicht bis zum Wert Null erfaßt werden.

Bei bekannten Einrichtungen, die zum Abbilden einer Geschwindigkeit oder Drehzahl dienen, wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, daß einem Magnetfeld ein von dessen Feldstärke abhängiger ohmscher Halbleiterwiderstand, insbesondere aus InSb, zügeordnet ist, der relativ zu dem Magnetfeld mit der abzubildenden Drehzahl umläuft. An dem Halbleiterwiderstand ist eine Gleichstromquelle angeschlossen. Bei Umlauf des Magnetfeldes wird die Gleichspannung in der Weise moduliert, daß die Ausgangsspannung eine der Geschwindigkeit bzw. der Drehzahl proportionale Frequenz erhält. Die Ausgangsspannung ist dem Betrag nach von der Feldänderung und demnach von der Drehzahl unabhängig. Daher ist auch bei sehr kleinen Umlaufgeschwindigkeiten eine Messung möglich.
Bei der vorgenannten Ausführung kann neben der Meßwertumformer

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. Friedrich Kuhrt, Nürnberg,

und Heinrich Großhans, Erlangen-Heiligenlohe, sind als Erfinder genannt worden

Veränderung des ohmschen Leitwertes des magnetfeldabhängigen Widerstandskörpers auch die bei Halbleiterwiderständen bekannte Hallspannung verwendet werden. Eine Hallspannung entsteht in stromdurchflossenen Halbleiterkörpern, die sich in einem senkrecht zur Stromrichtung stehenden Magnetfeld befinden, senkrecht zu der durch Strom- und Feldrichtung gebildeten Ebene.

Bei einer Ausführung wird ein Dauermagnet in Gestalt eines Hufeisens verwendet. Diesem ist ein Joch zugeordnet, auf dem ein Hallgenerator im Luftspalt gegenüber einem Polschuh angeordnet ist. Der Hallgenerator wird dabei in dem Magnetfeld gedreht, oder er wird so vorbeibewegt, daß er lediglich senkrecht vom Magnetfeld durchsetzt wird. Nach einer anderen Ausführung besitzt der Impulsgeber einen zylindrischen, permanentmagnetischen Mittelschenkel, einen Topf, an den eine Welle angeflanscht ist, und eine Zahnscheibe als Deckel. Der Hallgenerator ist im Luftspalt zwischen Mantel und Zahnscheibe angeordnet, die den Magnetfluß moduliert. Auch hier wird der Hallgenerator relativ zu dem Magnetfeld so bewegt, daß er senkrecht durchsetzt wird.

Die Erfindung bringt eine vorteilhafte Verbesserung an einem Meßwertumformer, durch den eine mechanische Größe, insbesondere Länge, Geschwindigkeit, Drehzahl usw., in eine Frequenz einer elektrischen Größe umgewandelt wird, die an einem relativ an magnetischen Dipolen, beispielsweise Dauermagneten, vorbeibewegten Halbleiterwiderstand, insbesondere Hallgenerator, abnehmbar ist. Magnetische Dipole in Form von Dauermagneten sind an sich in radialer und in axialer Anordnung auf umlaufenden Scheiben oder Wellen bereits bekannt.

20a 677/156

Der Erfindungsgegenstand ist dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterwiderstand in einer Ebene angeordnet ist, die durch die magnetische Achse eines jeweils an dem Halbleiterwiderstand vorbeibewegten magnetischen Dipols und durch eine Senkrechte zur relativen Bewegungsrichtung gegeben ist. Auf diese Weise wird in dem Hallplättchen beispielsweise bei gleicher Polung der Dauermagnete mit Annäherung an einen solchen eine anwachsende Spannung in der einen Richtung erzeugt, die nach Durchlaufen eines Maximums durch Null in der Symmetriesteliung hindurchgeht und bei Entfernen von dem Dauermagnet eine Spannung mit einem Maximum in der anderen Richtung erzeugt. Aus der Impulsfolge kann daher auf die Richtung der Bewegung geschlossen werden. Dies ist mit den bekannten Anordnungen, bei denen der Hallgenerator senkrecht auf die magnetische Achse angeordnet ist, nicht möglich, da beim Vorbeibewegen die Hallspannung lediglich ein einziges Maximum in der einen oder in der anderen Richtung aufweist. Bei diesen bekannten Anordnungen, insbesondere der Ausführung mit einem Topfmagnet, findet eine wechselnde Änderung des Magnetflusses in dem als Rückschluß wirkenden Mantel statt, wodurch Wirbelströme entstehen. Ist eine solche Meßanordnung beispielsweise mit einer Maschine gekuppelt, deren Auslaufverhalten gemessen werden soll, so findet wegen der zur Wirbelstrombildung erforderlichen Leistungsaufnahme eine Verfälschung des Meßergebnisses statt. Dies wird bei der Anordnung nach der Erfindung vermieden, da eine Wirbelstrombildung verhindert ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, es zeigt

Fig. 1 einen mit der Welle einer Arbeitsmaschine gekuppelten Meßwertumformer,

Fig. 2 einen vergrößerten Teilausschnitt aus Fig. 1, Fig. 3 die in dem Hallgenerator des Meßwertumformers nach Fig. 2 erzeugte Spannung in Abhängigkeit des Weges s,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Meßwertumformer in perspektivischer Darstellung,

Fig. 5 eine Einrichtung zur Gleichlaufregelung zweier Maschinen und

Fig. 6 eine Einrichtung zur Ermittlung des Quotienten der Drehzahlen zweier Elektromotoren.

Die Einrichtung, bei der eine mechanische Größe wie Geschwindigkeit, Länge, Drehzahl usw. als Frequenz einer elektrischen Spannung oder eines Stromes abgebildet wird, besitzt einen relativ zu einem Magnetfeld bewegten Halbleiterwiderstand 1. Gemäß der Erfindung liegt der Halbleiterwiderstand 1 in einer Ebene, die durch die magnetische Achse eines jeweils an dem Halbleiterwiderstand vorbeibewegten magnetischen Dipols und durch eine Senkrechte zur relativen Bewegungsrichtung s gegeben ist. Als magnetische Dipole sind am Umfang einer Scheibe 2 Dauermagnete 4 eingebettet, deren magnetische Achsen entweder in radialer oder axialer Richtung zur Scheibe 2 verlaufen.

Nach dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Achsen der Dauermagnete in radialer Richtung zur Scheibe. Der Halbleiterwiderstand 1 ist als Hallgenerator ausgebildet, an dessen Elektroden 12,13 eine Spannung U₁₁ mit einer der Geschwindigkeit der umlaufenden Welle 6 proportionalen Frequenz abnehmbar ist. Die Stromelektroden 14, 15 des Hallgenerators 1 werden von einer konstanten Stromquelle 3 gespeist. Zweckmäßig besteht die Scheibe 2 aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff, Diese ist an der Welle 6 eines Motors 10 befestigt. Die Scheibe 2 mit den Permanentmagneten wird im folgenden als Magnetrad bezeichnet. Bei der Drehung des Magnetrades, in das z. B. hundert kleine Dauermagnete eingebettet sein können, tastet der feststehende Hallgeneratori den Magnetfluß ab. Unabhängig von der Polung der ίο Dauermagnete 4 entsteht bei Drehung des Magnetrades 2 in dem Hallgenerator 1 eine Spannung mit positiven und negativen Höchstwerten.

In Fig. 3 ist die Hallspannung U_n als Funktion des Weges s, bei der in Fig. 2 dargestellten relativen Bewegung des Hallgenerators 1 und eines Permanentmagnets 4 von Punkt S₁ über S₂ nach S₃ dargestellt. Mit Annäherung an den Permanentmagnet wird eine positiv ansteigende Spannung erzeugt, die nach Durchlaufen eines Maximums durch Null in der Lage s.₂ hindurchgeht, und bei Entfernen von dem Dauermagnet entsteht eine Spannung mit einem negativen Maximum. Die bei Drehung der Scheibe auf den Hallgenerator in wechselnder Folge einwirkenden Magnetfelder gleichsinnig gepolter Magnete erzeugen also an den Hallklemmen 12 und 13 eine Spannung wechselnder Polarität. Aus der Impulsfolge kann daher auf die Richtung der Bewegung geschlossen werden. Die Frequenz ist unabhängig von der Umlaufgeschwindigkeit der darzustellenden Umlaufgeschwindigkeit proportional.

Die Dauermagnete können — wie die Fig. 4 zeigt — auch in axialer Richtung und mit wechselnder Polarität NS—SN am Umfang der Scheibe 2 eingebettet sein. Hierbei ist auf der aus nichtmagnetisierbarem Werkstoff gefertigten Scheibe 2 bei wechselnder Polung der Dauermagnete zweckmäßig eine Scheibe 11, aus Weicheisen angeordnet. Diese Scheibe 11, die auch als Ring ausgebildet sein kann, bewirkt, daß der magnetische Fluß der Permanentmagnete nur nach der Seite verstärkt austritt, an der sich der Hallgenerator 1 befindet. Der Haügenerator ist vorteilhaft zwischen zwei Ferritplatten 18 und 19 eingebettet. Gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist zur Erzeugung der gleichen Anzahl von Impulsen die doppelte Anzahl von Permanentmagneten erforderlich.

Werden nach dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel z. B. bei einer Drehung der Scheibe hundert Impulse im Hallgenerator erzeugt, so ist eine im allgemeinen genügend große Unterteilung einer Umdrehung gegeben. Die Zähleinrichtung kann durch einen besonderen Steuerimpuls lediglich für bestimmte kleine Zeitintervalle eingeschaltet werden. Damit kann die jeweilige Geschwindigkeit bzw. Drehzahl über sehr kleine Teilabschnitte einer Umdrehung ermittelt werden.

Die von dem Hallgenerator 1 abgegebene Spannung kann über einen Vorverstärker 7 einer an sich bekannten Schaltstufe 8, die den Eingangsimpuls in einen Rechteckimpuls umwandelt, und von hier aus einer ebenfalls bekannten Zählstufe 9 zugeführt werden.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung wird der Meßwertumformer zur Gleichlaufregelung zweier Maschinen 10 und 20 verwendet. An jede Maschine ist ein Magnetrad 2 bzw. 2' mit feststehendem Hallgenerator 1 bzw. 1' angekuppelt. Die Differenz der Drehzahlen beider Maschinen wird nach Verstärkung

in einer Rechenstufe 5 ermittelt und beeinflußt als Stellgröße beispielsweise die Erregung der Maschine 20.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Einrichtung, die zur Ermittlung des Quotienten der Drehzahlen zweier Motoren dient, erhält ebenfalls jeder Motor 10 und ein gleichartiges Magnetrad 2 bzw. 2' mit feststehendem Hallgenerator 1 bzw. 1'. Die Impulse werden über ein bestimmtes Zeitintervall in den Zählstufen 9 und 9' gezählt, der Stufe 5 zugeleitet, in der die Differenz der beiden Drehzahlen n_x — n₂ ermittelt wird, und dann der Rechenstufe 16 zur Quotientenbildung ~~— zugeführt.

Für die Zählung der Impulse und die Ermittlung der Drehzahlen werden mit Vorteil Bauelemente der elektronischen Rechenmaschine verwendet.

Claims

Patentansprüche:

1. Meßwertumformer, durch den eine mechanische Größe, insbesondere Länge, Geschwindigkeit, Drehzahl usw., in eine Frequenz einer elektrischen Größe umgewandelt wird, die an einem relativ an magnetischen Dipolen, beispielsweise Dauermagneten, vorbeibewegten Halbleiterwiderstand, insbesondere Hallgenerator, abnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterwiderstand (1) in einer Ebene angeordnet ist, die durch die magnetische Achse eines jeweils an dem Halbleiterwiderstand vorbeibewegten magnetischen Dipols (4) und durch eine Senkrechte zur relativen Bewegungsrichtung (s) gegeben ist.

2. Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Scheibe (2) aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff Dauermagnete in radialer Richtung eingesetzt sind.

3. Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Scheibe (2) aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff Dauermagnete in axialer Richtung eingesetzt sind.

4. Meßwertumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei wechselnder Polung der Dauermagnete (4) auf der Scheibe (2) eine weitere Scheibe (11) aus Weicheisen befestigt ist.

5. Meßwertumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hallgenerator (1) zwischen zwei Ferritplatten (18, 19) eingebettet ist.

6. Meßwertumformer nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Gleichlaufregelung.

7. Meßwertumformer nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Ermittlung des Quotienten der Drehzahl zweier Motoren.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 849 454;

Werkstatt und Betrieb, 91. Jahrgang (1958), H. 3, S. 132;

Elektronische Rundschau,

12. Jahrgang (August 1958), H. 8, S. 263 bis 267.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen