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Meßwertumformer Die Erfindung betrifft einen Meßwertumformer zur Umformung
der Abweichung einer mechanischen Stellung von einem vorgegebenen Stellungssollwert
in einen dieser Abweichung proportionalen Ausgangsgleichstrom, wobei ein magnetischer
Kreis mit Sättigungseigenschaften vorgesehen ist, in dessen Luftspalt zur Angabe
der mechanischen Stellung ein linear bewegbarer Permanentmagnet vorgesehen ist,
dessen konstanter Eingangsmagnetfluß durch eine auf den magnetischen Kreis aufgewickelte
Wechselstromerregerwicklung in einen Magnetfluß mit sich periodisch ändernder Stärke
umgewandelt wird, und wobei eine auf den magnetischen Kreis aufgewickelte Gegenkopplungswicklung
vorgesehen ist.
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Ein derartiger Meßwertumformer ist bekannt. Bei diesem bekannten
Meßwertumformer bildet die Wechselstromerregerwicklung mit einem parallelgeschalteten
Kondensator den Ausgangsschwingkreis eines mit einem Quarz bestückten Transistoroszillators
und dient gleichzeitig dazu, den von dem bewegbaren Permanentmagneten in den magnetischen
Kreis eininduzierten Eingangsmagnetfluß, dessen Größe von der Stellung dieses Permanentmagneten
abhängig ist, zu erfassen. Dies wird dadurch erreicht, daß die änderung der Induktivität
der Wechselstromerregerwicklung als Folge einer Änderung des in dem magnetischen
Kreis fließenden Eingangsmagnetflusses ausgenutzt und der dadurch die Wechselstromerregerwicklung
fließende Kollektorstrom des Oszillatorausgangstransistors, dessen Größe von der
Größe der Induktivität der Wechselstromwicklung abhängig ist, einer nachgeschalteten
Brückenschaltung zugeführt wird. In dieser Brückenschaltung wird der Kollektorstrom
des Oszillatorausgangstransistors mit einem Bezugswert verglichen, so daß am Ausgang
der Brückenschaltung ein der Abweichung der mechanischen Stellung des Permanentmagneten
von einem vorgegebenen Stellungssollwert proportionaler Ausgangsgleichstrom auftritt,
der gleichzeitig durch die auf den magnetischen Kreis aufgewickelte Gegenkopplungswicklung
hindurchfließt, die in dem magnetischen Kreis einen dem Eingangsmagnetfluß entgegengerichteten
Magnetfluß erzeugt, so daß der in dem magnetischen Kreis fließende resultierende
Magnetfluß eine verhältnismäßig kleine Größe besitzt, die von der jeweiligen Stellung
des linear bewegbaren Permanentmagneten abhängt.
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Obwohl sich bei dem bekannten Meßwertumformer das Vorsehen der Gegenkopplungswicklung
günstig auf die Eigenschaften dieses Meßwertumformers auswirkt, hat derselbe den
Nachteil, daß auch dann, wenn der bewegbare Permanentmagnet den Stellungssollwert
einnimmt, in dem magnetischen Kreis ein Magnetfluß bestimmter Größe fließen muß,
da die Induktivität der Wechselstromerregerwicklung nur von dem Absolutwert des
in dem magnetischen Kreis fließenden Magnetflusses abhängt und nicht auch davon
abhängig ist, welche Richtung dieser Magnetfluß hat. Auf Grund dieser Tatsache ist
der von dem bekannten Meßwertumformer erfaßbare Bereich, innerhalb dessen sich die
Stellung des Permanentmagneten ändern kann, verhältnismäßig klein. Außerdem ist
der bekannte Meßwertumformer in Hinblick darauf, daß auch bei der dem Stellungssollwert
entsprechenden Stellung des Permanentmagneten aus den genannten Gründen der magnetische
Kreis von einem Magnetfluß durchflossen wird, nicht so temperaturunabhängig, wie
es in vielen Fällen in der Praxis gefordert wird.
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Bei einem anderen bekannten Meßwertumformer der eingangs beschriebenen
Art wird der Stellungssollwert dadurch geschaffen, daß die den Luftspalt des magnetischen
Kreises abgrenzenden beiden Pole durch jeweils zwei Polstücke gebildet sind, die
in der Ebene des aus einem U-förmigen Kern gebildeten magnetischen Kreises in Abstand
übereinanderliegen und von denen das eine Polstück eines Poles mit dem einen Schenkel
und das zweite Polstück des gleichen Poles mit dem anderen Schenkel des U-förmigen
Kernes verbunden ist. Durch diese Aus-
bildung der beiden den Luftspalt
begrenzenden Pole wird erreicht, daß in einer ganz bestimmten Stellung des in dem
Luftspalt hin- und herbewegbaren Permanentmagneten der zwischen den einen Polstücken
und durch den U-förmigen Kern hindurchfließende Magnetfluß, der durch den Permanentmagneten
eingeprägt wird, gleich dem über die anderen Polstücke fließenden, entgegengerichteten
Magnetfluß ist, so daß sich beide Magnetflüsse gegenseitig aufheben und in der betreffenden
Stellung des Permanentmagneten innerhalb des magnetischen Kreises kein Magnetfluß
fließt. Wird hingegen die Stellung des Permanentmagneten geändert, überwiegt entweder
der über die einen oder die anderen Polstücke fließende Magnetfluß, so daß je nachdem,
ob der Permanentmagnet in bezug auf den Stellungssollwert nach oben oder unten verschoben
ist, der in dem magnetischen Kreis fließende resultierende Magnetfluß entweder die
eine oder die andere Richtung besitzt. Zum Erfassen der von der Stellung des Permanentmagneten
abhängigen Größe und Richtung dieses resultierenden Magnetflusses besteht das die
beiden Schenkel des U-förmigen Kernes verbindende Joch aus zwei sich voneinander
abzweigenden und wieder zusammenlaufenden Teilstücken, wobei auf jedes Teilstück
eine Hälfte der Wechselstromerregerwicklung aufgewickelt ist und beide Hälften über
zwei einander entgegengesetzt gepolte und in Serie mit den Wicklungshälften liegende
Gleichrichter parallel geschaltet sind. Diese Paralleischaltung ist über ein von
einem Kondensator überbrücktes Gleichstrominstrument an eine Wechselspannungsquelle
angeschlossen, und die Spannung für die Gegenkopplungswicklung wird über dem Kondensator
abgegriffen. Diese Anordnung wirkt so, daß sich bei einer Änderung des Eingangsmagnetflusses
je nach der Richtung dieses Flusses die Induktivität der einen Hälfte der Wechselstromerregerwicklung
vergrößert und die der anderen Teilhälfte verkleinert, so daß der durch diese Teilhälften
fließende Erregerwechselstrom während der einen Halbwelle der Wechselstromerregerspannung
größer bzw. kleiner ist. Der von diesen Halbwellen gebildete Strommittelwert, der
ein direktes Maß für die Stellung des Permanentmagneten ist und den Ausgangsstrom
des bekannten Meßwertumformers bildet, wird durch das von dem Kondensator überbrückte
Meßinstrument angezeigt.
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Da bei dem bekannten Meßwertumformer gleichfalls wie bei dem weiter
oben beschriebenen bekannten Meßwertumformer die Änderung der Induktivtät der Wechselstromerregerwicklung
ausgenutzt wird, um an Hand des in dem Stromkreis dieser Wechselstromerregerwicklung
fließenden Stromes die Größe des in den magnetischen Kreis eingeprägten Eingangsmagnetflusses
und damit die Stellung des Permanentmagneten zu ermitteln, tritt auch in diesem
Fall der Nachteil ein, welcher im übrigen auch dem anderen bekannten Meßwertumformer
anhaftet, daß dessen Empfindlichkeit verhältnismäßig klein ist.
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Außerdem ist die Nullpunktstabilität dieses bekannten Meßwertumformers
verhältnismäßig niedrig, da bei Schwankungen der Amplitude der die Wechselstromerregerwicklung
speisenden Wechselspannung der Mittelwert des durch das Meßinstrument hindurchfließenden
mittleren Gleichstromes sich ändert.
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Dies wirkt sich insbesondere dann nachteilig aus, wenn der Meßwertumformer
über einen längeren
Zeitraum hinweg ununterbrochen benutzt werden muß, um für die
Stellung des Permanentmagneten eine kontinuierliche Anzeige zu liefern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwertumformer der
eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der ein stabileres Arbeitsverhalten als
die bekannten Meßwertumformer aufweist und insbesondere gegenüber Änderungen der
Umgebungstemperatur im wesentlichen unempfindlich ist, so daß der Ausgangsgleichstrom
für eine bestimmte Stellung des den Eingangsmagnetfluß liefernden Permanentmagneten
auch über längere Zeiträume hinweg im wesentlichen immer die gleiche Größe besitzt.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zum Erzeugen
des Ausgangsgleichstromes ein phasenempfindlicher Gleichrichter dient, der von einer
auf den magnetischen Kreis aufgewickelten Ausgangswicklung gespeist ist und an dessen
Ausgang der Belastungsausgang des Meßwertumformers sowie die auf den magnetischen
Kreis aufgewickelte Gegenkopplungswicklung angeschlossen sind, und daß der Stellungssollwert
durch einen dem Eingangsmagnetfluß entgegengerichteten konstanten Magnetfluß gebildet
ist.
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Der erfindungsgemäße Meßwertumformer, bei dem nicht, wie es bei den
bekannten Meßwertumformern der Fall ist, die Änderung der Induktivität der Wechselstromerregerwicklung
zur Bestimmung der Stellung des Permanentmagneten verwendet wird, hat den Vorteil
einer verhältnismäßig hohen Empfindlichkeit im Vergleich zu den bekannten Meßwertumformern.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Meßwertumformers besteht darin, daß derselbe
eine gute Nullpunktstabilität besitzt, da der erfindungsgemäß zum Erzeugen des Ausgangsgleichstromes
verwendete phasenempfindliche Gleichrichter nicht, wie es bei den bekannten Meßwertumformern
in Hinblick auf die zum Erzeugen des Ausgangsgleichstromes dienende Wechselstromerregerwicklung
der Fall ist, Bestandteil des von Temperaturschwankungen verhältnismäßig stark abhängigen
magnetischen Kreises des Meßwertumformers ist, sondern eine von diesem magnetischen
Kreis getrennte Baueinheit ist. Außerdem kann mit dem erfindungsgemäßen Meßwertumformer
ein großer Stellungsbereich des bewegbaren Permanentmagneten erfaßt werden, da der
in dem magnetischen Kreis fließende resultierende Magnetfluß durch die Gegenkopplungswicklung
und den entgegengerichteten konstanten Magnetfluß immer auf einen sehr kleinen Wert
gehalten wird.
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Zweckmäßigerweise wird der den Stellungssollwert bildende konstante
Magnetfluß durch einen Permanentmagneten oder eine Gleichstromwicklung erzeugt.
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Es besteht bei dem erfindungsgemäßen Meßwertumformer aber auch noch
eine andere Lösung für die Erzeugung des Stellungssollwertes. Diese Lösung besteht
erfindungsgemäß darin, daß der Stellungssollwert durch zwei Ansatzstücke hoher Permeabilität
geschaffen ist, die an den den Luftspalt angrenzenden Polen des magnetischen Kreises
befestigt sind und die sich von je einem Pol ausgehend einander gegenüberliegend
um den Magneten wendelförmig erstrecken, so daß das Ende jedes Ansatzstückes in
der Ebene des gegenüberliegenden Poles liegt.
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Diese Anordnung zur Erzeugung des Stellungssollwertes beruht auf
dem gleichen Prinzip, wie es
bei dem weiter oben an zweiter Stelle
beschriebenen bekannten Meßwertumformer zur Stellungssollwerterzeugung verwendet
wird, hat aber gegenüber diesem bekannten Meßwertumformer den Vorteil eines wesentlich
kleineren und kompakteren Aufbaues.
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Um den durch den linear bewegbaren Permanentmagneten und die Ausbildung
der Ansatzstücke festgelegten Stellungssollwert einstellen zu können, ist vorteilhafterweise
ein zusätzlicher Permanentmagnet vorgesehen, der längs einer senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Eingabemagneten liegenden geraden Linie verschiebbar ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Meßwertumformer gemäß der Erfindung in schematischer
Darstellung; F i g. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Meßwertumformers
gemäß der Erfindung in Anwendung bei einem Registriergerät; F i g. 2A ist eine zur
Erläuterung des Arbeitsprinzips des Meßwertumformers gemäß F i g. 2 dienende schematische
Darstellung, während F i g. 3 und 4 in einem senkrechten Querschnitt eine praktische
Ausführungsform des in F i g. 2 dargestellten Meßwertumformers gemäß der Erfindung
zeigen.
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Gemäß Fig. 1 ist der dargestellte Meßwertumformer insgesamt mit dem
Bezugszeichen 10 bezeichnet.
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Dieser Meßwertumformer umfaßt einen magnetischen Kreis mit einem sättignngsfähigen
Kernstück 11, an welches sich ein ringförmiger Teil 11 a anschließt, auf dem eine
Wechselstromerregerwicklung 12 aufgewickelt ist. Von dem sättigungsfähigen Kernstück
11 aus erstrecken sich zwei Polstücke 13 und 14 nach oben, die aus ferromagnetischem
Ferrit oder einem anderen Material mit hoher Permeabilität bestehen. Die Polstücke
13 und 14 sind mit einer Ausgangswicklung 17 versehen, die über Leitungen 18 und
19 mit dem Eingang eines phasenempfindlichen Gleichrichters 20 verbunden ist, der
in Form einer Vierdiodenbrückenschaltung nach Art einer Graetzschaltung ausgebildet
sein kann. Die eine Ausgangsklemme des phasenempfindlichen Gleichrichters 20 ist
über eine Leitung 21 an ein Ende einer Gegenkopplungswicklung 23 angeschlossen,
die gleichfalls auf den Polstücken 13 und 14 aufgewickelt ist. Das andere Ende der
Gegenkopplungswicklung 23 ist über eine Leitung 22 mit dem Belastungsausgang 24
des Meßwertumformers 10 verbunden, der wiederum über eine Leitung 25 an die andere
Ausgangsklemme des phasen empfindlichen Gleichrichters 20 angeschlossen ist. Die
Wechselstromerregerwicklung 12 mit einem Oszillator 27 als Speisespannungsquelle
verbunden, der über Leitungen 28 und 29 mit dem phasenempfindlichen Gleichrichter
20 in Verbindung steht.
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Ferner ist bei dem Meßwertumformer gemäß Fig. 1 zur Angabe der umzuformenden
mechanischen Stellung ein Permanentmagnet 31 vorgesehen, der in dem Luftspalt des
magnetischen Kreises zwischen den Polstücken 13 und 14 linear hin- und herbewegbar
ist und in den magnetischen Kreis den Eingangsmagnetfluß einprägt, dessen Größe
von der Stellung des Permanentmagneten 31 abhängig ist.
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Der Permanentmagnet 31 ist gemäß F i g. 1 so gepolt, daß dessen Nordpol
dem Polstück 13 und der Südpol dem Polstück 14 benachbart ist.
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Zum Bilden eines Stellungssollwertes sind bei dem Meßwertumformer
gemäß Fig. 1 zwei Permanentmagneten 32 und 33 vorgesehen, die gegenüber dem Eingabemagneten
31 entgegengesetzt gepolt sind und demzufolge in dem magnetischen Kreis einen Magnetfluß
erzeugen, der dem durch den Permanentmagneten 31 eingeprägten Magnetfluß entgegengesetzt
gerichtet ist.
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Der Meßwertumformer 10 arbeitet nach dem Prinzip einer periodischen
Änderung des magnetischen Widerstandes des magnetischen Kreises, die dadurch hervorgerufen
wird, daß das sättigungsfähige Kernstück 11, 11 a periodisch über die Wechselstromerregerwicklung
12 gesättigt wird. Damit wird erreicht, daß sich der magnetische Widerstand des
magnetischen Kreises im Takt der Frequenz des Oszillators 27 ändert, so daß in gleicher
Weise die Größe des in dem magnetischen Kreis fließenden Magnetflusses geändert
wird. Dadurch kann, obwohl der von dem Eingabemagneten 31 in dem magnetischen Kreis
eingeprägte Magnetfluß an sich konstant ist, der Ausgangswicklung 17 eine Ausgangsspannung
entnommen werden, deren Frequenz doppelt so groß wie die Frequenz des Oszillators
ist.
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In Hinblick darauf ist zwischen dem Oszillator 27 und dem phasenempfindlichen
Gleichrichter 20 ein nicht näher gezeigter Frequenzverdoppler vorgesehen, damit
diesem Gleichrichter Spannungen gleicher Frequenz zugeführt werden. Alternativ dazu
kann aber auch eine Gleichrichterdiode mit der Wechselstromerregerwicklung 12 in
Serie geschaltet sein, was zur Folge hat, daß die Grundfrequenz der Ausgangsspannung
der Ausgangswicklung 17 gleich derjenigen der Frequenz des Oszillators 27 ist. In
diesem Fall braucht die Frequenzverdopplungsstufe zwischen dem Oszillator 27 und
dem Gleichrichter 20 nicht vorgesehen zu sein.
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Nimmt der Permanentmagnet 31 den Stellungssollwert ein, kann der
Ausgangswicklung 17 keine Ausgangsspannung entnommen werden, da bei dieser Stellung
des Permanentmagneten 31 der durch diesen Magneten in den magnetischen Kreis eingeprägte
Magnetfluß gleich dem durch die Permanentmagneten 32 und 33 erzeugten, entgegengerichteten
Magnetfluß ist.
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Wird der Permanentmagnet 31 hingegen verschoben, tritt in dem magnetischen
Kreis ein resultierender Magnetfluß auf, der eine Spannung in der Ausgangswicklung
17 zur Folge hat. Diese Spannung, deren Phasenlage sich nach der Richtung des in
dem magnetischen Kreis fließenden resultierenden Magnetflusses richtet, wird über
die Leitungen 18 und 19 dem Eingang des phasenempfindlichen Gleichrichters 20 zugeleitet
und dabei mit der Phase der von dem Oszillator 27 erzeugten Spannung verglichen.
Am Ausgang des Gleichrichters 20 tritt dann eine Ausgangsgleichspannung auf, deren
Polarität von der Phasenlage des von der Ausgangswicklung 17 gelieferten Wechselspannungssignals
abhängt und deren Größe in linearer Beziehung zu der Stellung des Permanentmagneten
31 steht. Diese Ausgangsgleichspannung hat einen Ausgangsgleichstrom zur Folge,
der über den z. B. durch einen ohmschen Widerstand gebildeten Belastungsausgang
24 des Meßwertumformers der Gegenkopplungswicklung 23 zugeführt wird, durch die
in dem magnetischen Kreis ein weiterer, dem Eingangsmagnetfluß entgegengerichteter
Magnetfluß erzeugt wird, dessen Größe direkt
von der Stellung des
Permanentmagneten 31 abhängt.
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Der von dem phasenempfindlichen Gleichrichter 20 gelieferte Ausgangsgleichstrom
ist im wesentlichen unabhängig von Anderungen des Belastungsausgangswiderstandes
des Meßwertumformers.
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Da bei dem Meßwertumformer gemäß F i g. 1 der ringförmige Teil 11
a des magnetischen Kreises so angeordnet ist, daß der von der Wechselstromerregerwicklung
12 erzeugte Magnetfluß rechtwinklig zu dem von dem Eingabemagneten 31 in den magnetischen
Kreis eingeprägten Magnetfluß verläuft und den magnetischen Kreis zwischen den die
Ausgangs-und Gegenkopplungswicklung tragenden Polstücken durchsetzt, tritt keine
Kopplung zwischen diesen Wicklungen der Wechselstromerregerwicklung 12 auf.
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Der bei dem Registriergerät gemäß Fig.3 verwendete erfindungsgemäße
Meßwertumformer, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 110 bezeichnet ist, umfaßt
einen sättigungsfähigen Kern in Form eines Ringes 111, der eine Wechselstromerregerwicklung
112 trägt, welche mit einem Oszillator 27 verbunden ist. Dieser Oszillator ist über
Leitungen 28 und 29 an den Gleichrichter 20 angeschlossen. Von dem Ring 111 aus
erstrecken sich zwei Polstücke 113 und 114 nach oben, wie es ähnlich bei dem Meßwertumformer
10 gemäß F i g. 1 der Fall ist. In entsprechender Weise ist auch eine Ausgangswicklung
117, die wie bei dem Meßwertumformer gemäß Fig. 1 auf die Polstücke gewickelt ist,
über Leitungen 118 und 119 mit dem Eingang des bei 20 schematisch angedeuteten phasenempfindlichen
Gleichrichters verbunden, dessen eine Ausgangsklemme über eine Leitung 121 an einen
verstellbaren Kontakt 116a eines Bereicheinstellwiderstandes 116 angeschlossen ist.
Die Polstücke 113 und 114 sind ferner mit einer Gegenkopplungswicklung 123 versehen,
die in vier Teilwicklungen 123 a bis 123 d unterteilt ist, von denen die Teilwicklungen
123 a und 123 b auf dem Polstück 113 und die beiden anderen Teilwicklungen 123 c
und 123 d auf dem Polstück 114 angeordnet sind. Das obere Ende der Wicklungl23a
ist dabei über den Widerstand 116 mit dem unteren Ende der Wicklung 123 c verbunden,
während die anderen Enden der Wicklungen 123 a und 123 c direkt miteinander verbunden
sind. Ferner ist das untere Ende der Wicklung 123 c mit dem oberen Ende der Wicklung
123 d verbunden, welches wiederum mit del Wicklung 123 b in Reihe geschaltet ist,
die über die Leitung 122 mit einer Klemme des Belastungswiderstandesl24 in Verbindung
steht. Die andere Seite des Belastungswiderstandes 124 ist über die Leitung 125
an die andere Ausgangsklemme des Gleichrichters 20 angeschlossen.
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Der bei dem Meßwertumformer gemäß F i g. 2 verwendete linear bewegbare
Permanentmagnet, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 131 bezeichnet ist, umfaßt
einen permanentmagnetischen Kern 131a, an dessen den beiden Polstücken 113 und 114
zugewandten Seitenflächen zwei Polstücke 131 b aus Weicheisen angebracht sind. Diese
Polstücke gewährleisten eine gleichmäßige Verteilung des von dem Kern 131a erzeugten
magnetischen Flusses über die gesamte Länge dieses Kernes.
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Ferner weist der in F i g. 2 gezeigte Meßwertumformer zwei Ansatzstücke
113 b und 114b hoher Permeabilität auf, die an den den Luftspalt des magnetischen
Kreises abgrenzenden Polstücken 113
und 114 befestigt sind und sich von jeweils einem
Ende eines Polstückes ausgehend einander gegenüberliegend wendelförmig um den Permanentmagneten
131 erstrecken, derart, daß das Ende jedes Ansatzstückes in der Ebene des gegenüberliegenden
Polstückes liegt. Diese Ansatzstücke dienen zum Schaffen eines Stellungssollwertes
für den in Fig. 2 gezeigten Meßwertumformer und haben somit die gleiche Aufgabe
wie die Permanentmagneten 32 und 33, die bei dem Meßwertumformer gemäß Fig. 1 vorgesehen
sind.
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In F i g. 2 A ist die Wirkungsweise der von den Ansatzstücken 113b
und 114 b gebildeten Anordnung näher erläutert. Dabei ist in dieser Figur der Fluß
in dem Luftspalt zwischen den Ansatzstücken einerseits und dem Permanentmagneten
131 andererseit mit 01 bezeichnet, während der Magnetfluß in dem Luftspalt zwischen
den unteren Enden der Ansatzstücke 113b bzw. 114b und den Polstücken 113 und 114
mit rl,, bezeichnet ist. Der über die Polstücke 113 und 114 sowie den sättigungsfähigen
Ring 11 fließende Magnetfluß ist mit 3 bezeichnet.
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Diese Flüsse stehen in solcher Beziehung miteinander, daß der Fluß
di, die algebraische Summe des Flusses di, und des Flusses 03 ist. Wenn 0 = ist,
ist demgemäß 03 gleich Null. Dieser Zustand tritt ein, wenn der Permanentmagnet
131 den Stellungssollwert einnimmt und in jedes der Ansatzstücke einen gleich großen
Magnetfluß einprägt. Für jede andere Stellung des Permanentmagneten 131 ist 09 entweder
größer oder kleiner als çt, so daß dementsprechend (23 eine bestimmte Größe und
Richtung hat. Dieser Magnetfluß erzeugt dann in der an Hand von Fig. 1 und 2 beschriebenen
Weise in der Ausgangswicklung des Meßwertumformers eine Ausgangsspannung, die dem
phasenempfindlichen Gleichrichter zugeführt und in der Phase mit der Bezugsphase
der Oszillatorspannung verglichen wird.
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Gemäß F i g. 2 A ist die Länge des Permanentmagneten 131 erheblich
größer als die Strecke, die die Ansatzstücke längs der Achse des Meßwertumfonners
11 einnehmen. Dies hat den Vorteil, daß der Fluß sPt vom mittleren Teil der Sonde
131 abgeleitet wird und somit von der Stellung der Sonde unabhängig ist, während
der Fluß 02 von dem tiefer liegenden unteren Ende der Sonde 131 ausgeht und sich
linear in Abhängigkeit von der Stellung der Sonde verändert.
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Wie F i g. 2 zeigt, sind zur Begrenzung der Strecke, längs deren
der Permanetmagnet 131 hin- und herbewegbar ist, in Abstand voneinander angeordnete
Anschlagorgane 134 auf entgegengesetzten Seiten eines Vorsprunges 131 p des Permanentmagneten
131 so angeordnet, daß die Feldlinien des von dem Permanentmagneten 131 erzeugten
Magnetfeldes am fernliegenden sowie am benachbarten Ende dieses Magneten stets im
wesentlichen gleich viel magnetisches Material durchsetzen, um die Linearität zu
gewährleisten. Ferner verhindern die Anschlagorgane 134, daß sich das untere Ende
des Permanentmagneten 131, wenn derselbe nach oben bewegt wird, den oberen Enden
der Polstücke 113 und 114 um eine Strecke nähert, die kleiner ist als die Länge
des dazwischen vorhandenen Luftspaltes. Außerdem wird bei einer Bewegung des Permanentmagneten
131 nach unten verhindert, daß das obere Ende dieses Permanentmagneten in die Nähe
der Enden der Ansatzstücke 113 b bzw. 114 b gelangt.
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Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß der Permanentmagnet 131 im Gegensatz
zu Fig. 2A allerdings auch kürzer ausgebildet werden kann, daß das obere Ende dieses
Permanentmagneten mit der gestrichelten Linie 131c abschließt. Bei dieser Anordnung
werden die in den magnetischen Kreis eingeleiteten Magnetfiüsse den beiden Enden
des Permanentmagneten 131 entnommen, was eine gesteigerte Empfindlichkeit des Meßwertumformers
zur Folge hat, da in diesem Fall beide Magnetflüsse, welche von den Enden des Permanentmagneten
131 aus in den magnetischen Kreis eingeprägt werden, sich mit der Stellung dieses
Permanentmagneten ändern.
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Das Registriergerät von F i g. 2, bei dem der soeben beschriebene
Meßwertumformer Verwendung findet, umfaßt einen Vibrator 141 von geeigneter Bauart,
dem das zu registrierende unbekannte Gleich-Stromsignal E, zugeführt wird, um dasselbe
in einen Wechselstrom umzuwandeln. Der resultierende Wechselstrom wird über einen
Transformator 142 einem Wechselstromverstärker 143 zugeführt, dessen Ausgangssignal
dazu dient, eine Steuerwicklung 144 c eines Motors 144 zu speisen. Der Motor 144
ist mit einer Antriebswicklung 144p versehen, der über einen Phasenregelungskondensator
145 eine Wechselspannung zugeführt wird. Der Motor 144 kann eine Registrierfeder
und einen Zeiger 146a eines Registriergerätes 146 gegenüber einem Registrierstreifen
146 c und einer Skala 146 s verstellen. Der Motor144 dient gleichzeitig dazu, den
Permanentmagneten 131 über eine Gewindespindel 147 längs der Längsachse des Meßwertumformers
entgegen der Vorspannkraft einer Feder148 zu verschieben, die einen gegebenenfalls
vorhandenen toten Gang in dem mechanischen Antrieb zwischen dem Motor 144 und dem
Magneten 131 überwindet.
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Wenn die axiale Stellung des drehfest gehaltenen Permanentmagneten
131 durch den Abgleichmotor 144 geändert wird, wird die in den magnetischen Kreis
durch das untere Ende des Permanentmagneten eingeprägte magnetische Urspannung geändert,
so daß ein resultierender Fluß erzeugt wird, der als Ergebnis der periodischen Sättigung
des sättigungsfähigen Kernes 111 durch die Wicklung 112 ein Wechselstromsignal in
der Ausgangswicklung 117 erzeugt. Das der Wicklung 117 entnommene Wechselstromsignal
wird dem Eingang des phasenempfindlichen Gleichrichters20 zugeführt, dessen Ausgang
mit der Gegenkopplungswicklung 123 und dem Widerstand 124 verbunden ist, der im
Eingangskreis des Registriergerätes liegt, um ein einen Abgleich bewirkendes elektrisches
Rückkopplungssignal zu erzeugen.
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Wenn dieses Rückkopplungssignal dem unbekannten elektrischen Signal
Ex entgegengesetzt gleich ist, wird der Abgieichmotor 144 stillgesetzt, und daher
wird das Zeiger- und Registrierfederaggregat 146a gegenüber dem Registrierstreifen
146 c und der Skala 146 s in eine Stellung gebracht, die durch die Größe des Signals
Ex bestimmt ist.
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Der Bereicheinstellwiderstand 116 ermöglicht es, die Beziehung zwischen
der Größe der Eingangssignale Ex und den entsprechenden Verstellbewegungen des Anzeigeaggregates
146 a einzustellen, derart, daß beispielsweise die Größe von Ex dem vollen Ausschlag
der Registrierfelder bzw. dem Anzeigebereich des Registriergeräts entspricht. Zu
diesem Zweck ändert man die Stellung des beweglichen Kontaktes 116a längs des Einstellwiderstandes
116,
um denjenigen Teil des Ausgangsgleichstroms des phasenempfindlichen Gleichrichters
20 zu ändern, welcher in den beiden Rückkopplungswicklungen 123 a und 123 c fließt.
Diese beiden Wicklungen sind so in Serie zusammengeschaltet, daß sie einen Fluß
in ein und derselben Richtung in dem magnetischen Kreis erzeugen, der die Polstücke
113 und 114 sowie den sättigungsfähigen ringförmigen Kern 11l umfaßt.
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Die anderen Wicklungen 123 b und 123 d sind gleichfalls in Serie geschaltet,
und zwar derart, daß sie einen Fluß in der entgegengesetzten Richtung erzeugen.
Wenn sich nun der verstellbare Kontakt 116 a am unteren Ende des Widerstandes 116
befindet, fließt der gesamte Ausgangsgleichstrom des Gleichrichters durch die Wicklungen
123 b und 123 d, was zur Folge hat, daß durch die Wicklungen 123 a und 123 c keine
magnetische Urspannung erzeugt wird.
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Bei dieser Einstellung hat der Ausgangsgleichstrom seine maximale
Wirkung bezüglich der Erzeugung eines Magnetflusses zum Ausgleichen des von dem
Permanentmagneten 131 in den magnetischen Kreis eingeprägten Magnetflusses. Der
Ausgangsstrom, der erforderlich ist, um das elektrische Ausgleichssignal am Widerstand
124 zu erzeugen, wie es im Hinblick auf ein Eingangssignal Ex benötigt wird, wird
somit durch eine relativ große Verstellung des Permanentmagneten und des Anzeigeaggregats
146 a gegenüber der Null- oder Bezugsstellung hervorgerufen, so daß der Anzeigebereich
des Registriergeräts auf sein Minimum eingestellt ist. Wenn man den Kontakt 116a
hingegen nach oben in eine neue Stellung auf dem Widerstand 116 bringt, fließt ein
Teil des Ausgangsgleichstromes durch die Wicklung 123 a und 123 c. Bei dieser Stellung
erzeugen die Wicklungen 123a und 123c eine magnetische Urspannung, die dem von den
Wicklungen 123 b und 123 d erzeugten Magnetfluß entgegenwirkt, so daß die Wirksamkeit
des Ausgangs stromes bezüglich des Ausgleichs des von dem Permanentmagneten 131
eingeprägten Magnetflusses verringert wird. Der Ausgangsstrom, der erforderlich
ist, um das elektrische Ausgleichssignal am Widerstand 124 erscheinen zu lassen,
wie es im Hinblick auf ein Eingangssignal Ex benötigt wird, wird jetzt durch eine
kleinere Verschiebung des Permanentmagneten 131 und des Anzeigeaggregats 146 gegenüber
der Null- oder Bezugsstellung erzeugt, was bedeutet, daß der Anzeigebereich des
Registriergerätes vergrößert worden ist.
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Mit Hilfe des Bereicheinstellwiderstandes 116 lassen sich leicht Anzeigebereiche
im Verhältnis von 4:1 einstellen.
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Es ist aber auch möglich, mit anderen Mitteln den Anzeigebereich
zu verändern, indem beispielsweise die Gegenkopplungswicklung des Meßwertumformers
gemäß F i g. 2 durch einen verstellbaren Widerstand überbrückt wird. Ferner können
magnetische Überbrückungen in dem magnetischen Kreis verwendet werden, um eine Änderung
des Anzeigebereiches zu bewirken. Alternativ dazu ist es aber auch möglich, den
Widerstand 124 verstellbar auszubilden.
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Ferner können dem Widerstand 116 zum Einstellen des Anzeigebereichs
Widerstände zugeordnet werden, um die Temperaturabhängigkeit des Gegenkopplungszweiges
des dargestellten Meßwertumformers in Abhängigkeit von Änderungen der Umgebungstemperatur
zu variieren und so die Einwirkung von Änderungen der Umgebungstemperatur auf andere
Elemente
des Systems zu kompensieren. In Fig. 2 ist ein Überbrückungswiderstand 115 gezeigt,
der einen solchen Temperaturkoeffizienten besitzen kann, daß der gewünschte Temperaturausgleich
erzielt wird.
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Um den durch den Permanentmagneten 131 und die Ausbildung der Ansatzstücke
113b und 114 b festgelegten Stellungssollwert verändern zu können, ist ein zusätzlicher
Permanentmagnet 177 vorgesehen, der mit seinem Nordpol und seinem Südpol in der
aus Fig.2 ersichtlichen Weise angeordnet ist und von einer Schraubel78 getragen
wird, die in eine feste Unterstützung 179 eingeschraubt ist. Diese Schraube ermöglicht
es, den Magneten 177 längs einer senkrecht zur Bewegungsrichtung des Eingabemagneten
131 liegenden geraden Linie zu verschieben. Das Magnetfeld des Magneten 177 erzeugt
dabei einen relativ kleinen Fluß in den Ansatzstücken 113 b und 114 b, welcher den
Fluß, der durch den Permanentmagneten 131 in den Ansatzstücken erzeugt wird, je
nach der jeweiligen Einstellung der Schraube 178 entweder unterstützt oder teilweise
zu kompensieren sucht. Wenn man die Schraube 178 nach vorn verstellt, gelangt der
Nordpol des Magneten 177 in einen geringeren Abstand von dem Ansatzstück 114 b,
wodurch in diesem Ansatzstück von dem Magneten 177 ein Fluß erzeugt wird, der in
der gleichen Richtung wirkt wie der durch den Magneten 131 erzeugte Fluß. Dies erfordert,
daß das untere Ende des Magnetenl31 weiter nach unten bewegt werden muß, damit der
Permanentmagnet 131 den Stellungssollwert einnimmt, bei dem der von den Ansatzstücken
113b und 114 b aus über die Polstücke 113 und 114 fließende resultierende Magnetfluß
den Wert Null erreicht. Eine weitere Verstellung der Schraube 178, durch die der
Magnet 177 der Längsachse des Meßwertumformers genähert wird, bringt eine weitere
Veränderung des Stellungssollwertes im gleichen Sinne mit sich, bis diese Veränderung
bei einer bestimmten Stellung des Magneten 177 ein Maximum ist.
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Wird nun der Magnet 177 in Richtung auf die Achse des Meßwertumformers
zu weiter verstellt, wird der Nordpol des Magneten 177 in eine Stellung in der Nähe
desjenigen Teils des Ansatzstückes 114 b gebracht, welcher parallel zur Bewegungsrichtung
des Magneten 177 verläuft, Wenn sich der Magnet 177 dieser Stellung nähert, ändert
sich der Abstand seines Nordpols N von dem Ansatzstück 114b nicht wesentlich mit
der Stellung des Magneten, während sich der Abstand seines Nordpols von dem Ansatzstück
113 b noch in starkem Maß mit der Stellung des Magneten ändert. Dadurch nimmt der
Fluß, der vom Nordpol des Magneten 177 aus in das Ansatzstück 113b eintritt, schneller
zu als der in das Ansatzstück 114b eintretende Fluß. Auf diese Weise wird der resultierende
Fluß, der durch den Magneten 177 in den Ansatzstücken 113 b und 114 b erzeugt wird,
verringert, so daß der Stellungssollwert von seinem Maximalwert aus im entgegengesetzten
Sinn wie vorher verändert wird. Wenn man den Magneten 177 noch weiter in Richtung
auf die Achse des Meßwertumformers verstellt, nähert sich der Magnet 177 schließlich
einer Stellung, bei welcher sein Südpol S dem Ansatzstück 114 b näher benachbart
ist als sein Nordpol, während der Nordpol dem Ansatzstück 113b näher benachbart
ist als der Südpol. Wenn dieser Zustand erreicht ist, bewirkt der Magnet 177,
daß
in die Ansatzstücke 113b und 114 b ein Fluß eingeführt wird, der dem von dem Magnetenl31
herrührenden Fluß entgegengesetzt ist. Auf diese Weise kann man die Null- oder Bezugsstellung
des Anzeigeaggregats 146a längs der Skala auch in der entgegengesetzten Richtung
über diejenige Stellung hinausbewegen, welche sie einnehmen würde, wenn der Einstellmagnet
177 nicht vorhanden wäre.
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Man kann aber den Stellungssollwert z.B. auch dadurch einstellen,
daß ein einstellbarer Gleichstrom durch eine Wicklung auf den Polstücken 113 und
114 geleitet wird.
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Gemäß der in Fig. 3 und 4 gezeigten praktischen Ausführungsform des
Meßwertumformers 110 umfaßt derselbe ein Gehäuse 150, das an seinem unteren Ende
durch einen Abstützteil 151 abgestützt werden kann. Am anderen Ende des Gehäuses
ist ein plattenförmiger Bauteil 152 vorgesehen, der mit dem Gehäuse durch Schrauben
153 verbunden ist und an dem mit Hilfe von Säulen 155 eine Scheibe 154 aufgehängt
ist. An der Scheibe 154 sind stangenförmige Bauteile 156 befestigt, die einen unteren
scheibenförmigen Bauteil 157 tragen. Die scheibenförmigen Bauteile 154 und 157 unterstützen
gemeinsam die beiden Polstücke 113 und 114, deren obere Enden mit den schraubenlinienförmigen
Ansatzstücken 113 b und 114b versehen sind. Der sättigungsfähige ringförmige Kern
111, der die Antriebswicklung 112 trägt, wird in Anlage an den unteren Enden der
Polstücke 113 und-114 gehalten; zu diesem Zweck ist ein Tragorgan 159 vorgesehen,
das durch ein an der Scheibe 157 mittels Schrauben 161 befestigtes Halteorgan 160
in seiner Lage gehalten wird. Die Polstücke 113 und 114 sind mit den betreffenden
Teilwicklungen 123 a bis 123 d der Gegenkopplungswicklung 123 und der Ausgangswicklung
117 versehen. Ferner ist ein topfförmiger Bauteil 165 vorgesehen, der sich entlang
der Längsachse des Übertragers zwischen den Polstücken 113 und 114 erstreckt und
den linear bewegbaren Permanentmagneten 131 aufnimmt, der entlang der Längsachse
verschiebbar ist und mit abdichtender Wirkung von einem Gehäuse 166 umschlossen
ist, dessen oberes Ende bei 166a mit Außengewinde versehen ist.
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Dieses Ende ist in eine dazu passende Gewindebohrung einer Wand 167
eingeschraubt, an deren Unterseite das Gehäuse 150 mittels Schrauben 168 gehalten
ist, die sich durch Schlitze in Aufhängungsorganen 169 hindurcherstrecken.
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Das untere Ende des Meßwertumformers 110 ist mit einem Kontaktträger
170 versehen, der am Gehäuse 150 mittels mehrerer Schrauben befestigt ist.
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Der Kontaktträger besteht aus einem elektrisch isolierenden Material
und trägt mehrere über seinen Umfang verteilte Kontaktorgane 172, die voneinander
durch Vorsprünge oder Rippen 170a getrennt sind, welche radial verlaufen und um
den Mittelpunkt des Kontaktträgers 170 verteilt sind.
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Jedes Kontaktorgan 172 besitzt ein Ende, das in das Gehäuse 150 hineinragt,
damit eine leitende Verbindung zu den Wicklungen 123 a bis 123 d und den Wicklungen
112 und 117 hergestellt werden kann.
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Die unteren Enden der Kontaktorgane 172 können Schrauben 173 aufnehmen,
die zum Befestigen der äußeren Zuleitungen dienen. In F i g. 4 ist eine dieser Zuleitungen
dargestellt und mit 174 bezeichnet.
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Ferner ist ein Halter 176 vorgesehen, der durch die Seitenwand des
Gehäuses 150 nach innen ragt
und innerhalb des Gehäuses den Einstelimagneten
177 trägt. Der Einstellmagnet 177 ist relativ kurz und befindet sich oberhalb des
schraubenlinienförmigen Ansatzstückes 114 b, wobei der Nordpol des Magneten 177
dem Topf 165 zum Aufnehmen des Permanentmagneten 131 benachbart ist. Gemäß Fig.
4 ist der Magnet 177 rechtwinklig zur Polverbindungslinie des Permanentmagneten
131 angeordnet und kann mit Hilfe des Halters 176 verstellt werden, um neben der
Einstellung des Stellungssollwertes Korrekturen dieses Stellungssollwertes vorzunehmen,
die sich aus den Herstellungstoleranzen des Meßwertumformers selbst als auch der
angeschlossenen Schaltung ergeben.