DE1287805B

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Publication number: DE1287805B
Application number: DEJ32656A
Authority: DE
Publication date: 1969-01-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum berührungsfreien Messen von langen Wegen unter Verwendung wenigstens eines Magnetkreises, dessen Durchfiutungsänderung durch einen auf diese Änderung ansprechenden, an einer Brücke liegenden Widerstand gemessen wird, wobei sich in dem Luftspalt des Magnetkreises ein beweglicher Meßkörper befindet.

Zur Bestimmung magnetischer Feldstärken bzw. Feldstärkendifferenzen ist es bekannt geworden, in dem Luftspalt eines Magnetkreises magnetfeldabhängige Widerstandselemente hoher Trägerbeweglichkeit, z. B. HALL-Generatoren anzuordnen und diese an eine Meßbrücke anzuschließen.

Darüber hinaus ist es bekannt. Wegmesser auf dieser Grundlage zu konstruieren, indem in den Spalt zwischen den Polflächen eines den Magnetkreis bildenden Systems ein beweglicher Meßkörper angebracht ist, dessen Steuerkante in der Richtung des Luftspaltes verläuft. Hierbei ist das Problem der er- ao schütterungsf reien Lagerung des Meßkörpers gegeben, das bisher ausschließlich durch Verwendung von Drehkörpern gelöst werden konnte mit dem wesentlichen Nachteil, daß nur sehr kurze Wege beherrscht werden können, für lange Wege ist diese Methode unbrauchbar, da in diesem Fall nach dem gleichen Prinzip lange bewegliche .Meßlineale verwendet werden müßten, die in keinem Fall erschütterungsfrei gelagert werden können. Jede auch nur geringe Bewegung oder Schwingung infolge einer Erschütterung od. dgl. wirkt sich als Luftspaltänderung aus und da die Wegmessung bei diesen Geräten gerade auf der Luftspaltänderung beruht, sind präzise Messungen nicht erreichbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, Wegmesser der genannten Art so zu verbessern, daß sie auch bei langen Meßwegen unempfindlich gegen Erschütterungen sind.

Eine Lösung wurde erfindungsgemäß darin gefunden, daß der in einer zangenartigen öffnung der mit ebenen Hohlflächen versehenen Magnetpole geführte Meßkörper als Meßlineal mit einer zur Längsachse des Lineals geneigt verlaufenden Steuerkante ausgebildet ist, die senkrecht zu dem Luftspalt liegt.

Es ist hierdurch gelungen* von der Luftspaltänderung unabhängig zu werden, so daß Erschütterungen od. dgl. das Meßergebnis nicht beeinflussen können. Die Messung beruht auf der Querschnittsänderung des Lineals, d. h. die Durchfiutungsänderung wird durch die veränderliche Eisenmenge in dem Luftspalt erreicht.

Gemäß einer Weiterausbildung der Erfindung kann ein zweiter selbständiger Magnetkreis angeordnet sein, der im unmittelbaren Temperaturbereich des ersten Magnetkreises und in einer gut wärmeleitenden, als Wärmespeicher dienenden Masse angeordnet ist.

An Hand der Zeichnung ist ein Ausführungs-' beispiel der Erfindung erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellungsweise,

F i g. 2 eine Ansicht eines solchen Gerätes, auf der das Meßlineal enthaltenden Seite,

F i g. 3 eine Draufsicht auf ein Gerät,

F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der F i g. 1,

F i g. 5 eine elektrische Schaltung des Gerätes.
Die F i g. 1 zeigt zwei Dauermagnete 1, 2, die zur

Erhöhung ihrer Feldstärke in einem Eisen-Luftkreis in Reihe geschattet sind. Der Kraftfluß in die Richtung dieser Dauermagnete ist durch die strichpunktierte Linie 5 dargestellt. Die Polflächen der Magnete 1 und 2 stoßen an jeweils einen Polschuh 6 und 7 aus einem geeigneten, leicht durchflutbaren Werkstoff. Die Polschuhe 6 und 7 sind wie aus F i g. 2 ersichtlich, rund und besitzen die Abflachungen 8 und 9. Diese Abflachungen ergeben eine ebene geometrisch bestimmte Polfläche. Gegenüber den Polschuhen 6 und 7 grenzen Südpol S 1 und Nordpol N 2 an die Übertragungsjoche 10 und 11, die ebenfalls aus einem geeigneten Magnetwerkstoff hergestellt sind. Die Ubertragungsjoche sind in der F i g. 4 im Grundriß dargestellt. Zwischen den Übertragungsjochen 10 und 11 ist ein kleiner Luftspalt 1 (F i g. 4). In diesem Luftspalt ist je eine der bereits bekannten »Feldplatten« als Magnetflußmesser mechanisch fest angebracht (die »Feldplatten« sind ohmsche Widerstände, die durch eine spezielle Ausnützung des Hall-Effektes ihre Widerstände in einer proportionalen Abhängigkeit zu ihrer magnetischen Durchflutung ändern. Die Feldplatten sind Halbleiter). Wie F i g. 4 zeigt, sind die Übertragungsjoche 10 und 11 ihren Polflächen am Luftspalt 1 zu verjüngt, so daß an dieser Stelle die Durchflutung schon genügend hoch liegt, obwohl an den Polflächen 8 und 9 (Fig. 1) noch eine niedrige magnetische Feldstärke vorhanden sein kann.

Die Polschuhe 6 und 7 erhalten in dem Gehäusedeckel 12 eine gute mechanische Führung und sind mit den Dichtungen 13 abgedichtet. Der Gehäusedeckel 12 besitzt einen Bund 14 und die Gewindebohrungen 15 zur Zentrierung und Anflanschung des ganzen Gerätes an irgendwelche zur Aufnahme des Wegegebers vorgesehene Maschinen- oder Gerätebauteile. Mittels der Gewindebohrungen 16 und der Schrauben 17 ist das ganze Gerät mechanisch zusammengehalten. Der Gehäusedeckel 12 ist aus einem Material mit möglichst schlechter magnetischer Leitfähigkeit hergestellt. An den Gehäusedeckel 12 schließt sich das Mittelteil 18 aus einem ebenfalls magnetisch schlechten Leiter an. Das Mittelteil 18 ist zu dem Gehäusedeckel 12 über einen Bund 19 zentriert und mit der Dichtung 20 abgedichtet. Wie aus F i g. 4 ersichtlich, besitzt das Mittelteil 18 die eingefräste Nut 21. Durch die Nut 21 werden die Übertragungsjoche 10 und 11 mechanisch in ihrer Lage fixiert. Die Bohrung 22 in dem Mittelteil 18 erlaubt die Durchführung der an den Feldplatten befindlichen elektrischen Anschlußdrähte .23 zum Anschlußstecker 24. Auf der der Nut 21 gegenüberliegenden Seite ist in dem Mittelteil 18 die Nut 25 eingefräst. Die Nut 25 ist gleich wie die Nut 21 und außer in F i g. 1 deshalb nicht mehr weiter dargestellt. In der Nut 25 befindet sich, mechanisch geführt, ein zweites Magnetsystem. Das zweite Magnetsystem besteht aus den Dauermagneten 3 und 4. in derselben mechanischen und magnetischen Anordnung wie die Magnete 1 und 2. Der Magnetfluß wird durch das Verbindungsteil 26 und die Übertragungsjoche 27 und 28 geleitet. Die Joche 27 und 28 sind mechanisch gleich hergestellt wie die Joche 10 und 11 und besitzen ebenfalls einen Luftspalt mit denselben verjüngten Polflächen wie die Joche 10 und 11. In den beiden Luftspalten der Joche 27 und 28 sind wiederum die gleichen Feldplatten mechanisch fest angebracht. Die Anschlußdrähte 29 dieser Feldplatten sind ebenfalls zu dem Stecker 24

durchgeführt. Alle Anschlußdrähte sind durch die Bohrung 30 in dem Gehäusedeckcl 31 geführt und dort durch den Vergußpfropfen 32 abgedichtet. Beide Magnetsysteme sind mittels der Schrauben 33 zusammengezogen, so daß diePolfläciien der Dauermagnete einen möglichst guten Kontakt zu den Übertragungsgliedern besitzen. Der Deckel 31 ist mit dem Dichtring 35 im Mittel 18 abgedichtet.

Die Kraftnußrichtung des zweiten Magnetsystems ist durch die strichpunktierte Linie 34 angegeben. Die Dauermagnete 1, 3 und 2, 4 sind jeweils gleichpolig gegeneinander angeordnet. Aus den Kraftflußrich.-tungen (5, 34) ist ersichtlich, daß die Felder beider Magnetsysteme gegeneinander Querkräfte erzeugen und sich deshalb gegenseitig bezüglich der Durchflutungshöhe jedes einzelnen Kreises kaum beeinflussen. Dies ist dem Wesen des vorgeschlagenen Gedankens nach wichtig, weil die beiden Magnetsysteme in keiner zu großen Entfernung voneinander angeordnet werden sollen. Beide Magnetsysteme erhalten auf diese Weise eine für die Praxis genügend genaue, gleiche Temperatur. In diesem Zusammenhang schlägt die Erfindung außerdem vor, daß das Mittelteil 18 neben den geforderten magnetischen Eigenschaften eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt und die Masse des Teiles 1 als Wärmespeicher hinsichtlich der beiden zu erwärmenden Magnetsystemmassen genügend groß ist.

Wie aus den Fig. 1,2 und 3 ersichtlich ist, ragen die Polschuhe 6 und 7 aus dem Gebergehäuse heraus und bilden mit ihren Polflächen 8 und 9 die Meßfühler des vorgeschlagenen Wegmesser. Innerhalb der Polflächen 8 und 9 läuft das Meßlineal 36. Zwischen dem Meßlineal 36 und den Polflächen 8 und 9 befinden sich die Luftspalte/1 und/2. Die Luftspaltsumme 1,11,12 ist vorzugsweise so auszulegen, daß die magnetischen Leitwiderstände in der Luft im Verhältnis zu den Leitwiderständen in den Magnet-Werkstoffen der Teile 6, 7,1, 2,11,10 sehr groß sind. Diese Auslegung wird von dem Erfindungsgedanken eventuell gefordert, um das unter Umständen nicht lineare Permeabilitätsverhalten der eisenhaltigen Magnetkreisabschnitte praktisch unwirksam zu machen. Für die Luftspalte 1 1 und / 2 ist andererseits eine Größenordnung vorzugsweise vorgeschlagen, innerhalb der noch proportional erfaßbare Feldverhältnisse herrschen.

Es sind insbesondere in der Funktion als berührungslose Endschalter Magnetsystemanordnungen bekanntgeworden, die eine wegabhängige Magnetflußänderung dadurch herbeiführen, daß die Luftspaltgrößen, entsprechend der Maße /1 und / 2, also Polabstände, verändert werden. Diese Anordnung ist sehr kritisch, besitzt keine lineare Charakteristik und ist infolge ihrer Empfindlichkeit zur Abtastung langer Wege nicht geeignet. Ein weiterer Nachteil dieser Systeme ist, daß die dem hier vorgeschlagenen Meßlineal entsprechenden Elemente mechanisch nicht herstellbar genau geführt werden müßten, da außer der vorzusehenden Meßänderung des abgetasteten Teiles auch eine Lageveränderung dieses Elementes in die Messung mit einem viel zu großen Anteil eingeht.

Der hier vorgeschlagenen Erfindung liegt insbesondere, auch die Anordnung des Meßlineals 36 und die Wirkung dessen veränderlicher Größe zugrunde. Bei dem hier beschriebenen Gerät kann sich das Meßlineal 36 in seiner Lage in einem ziemlich großen

Maß verändern, ohne das Meßergebnis zu beeinflussen. Der Grund dafür ist, daß die Luftspaltc zwischen den beiden Rollen 8 und 9 winkelrecht zu der meßveränderlichen Steuerkante 38 angeordnet sind. Wenn das Meßlineal 36 z. B. in der Richtungsebene 39 seine Lage zu den Polflächen 8 und 9 verändert, so gleicht sich die Luftspaltänderung bei den hier vom Erfindungsgedanken geforderten Luftspaltverhältnissen aus, weil z. B. entsprechend einer Verkleinerung von

ίο 11,12 sich um denselben Betrag vergrößert. Auch eine Drehung auf dem Bogen 40 (F i g. 1) ist in gewissen Grenzen durch diesen Umstand ohne Einfluß auf die Meßgröße.

Die Messung eines Weges nimmt der Geber durch

relative Bewegung des Meßlineals 36 in der Richtungsebene 37 vor. Die veränderliche Meßgröße wird hierbei durch die Steuerkante 38 gebildet. Die Steuerkante 38 ändert die in die Polflächen 8 und 9 eingetauchte Höhe h nach h 1 mit einer bestimmten Funktion, vorzugsweise einer geneigten Geraden. Durch diesen Umstand wird die zwischen den Polflächen 8 und 9 im Meßlineal 36 durchflutete Feldfläche verändert. Dadurch muß sich zwangläufig die Feldstärke in den Luftspalten 1 1 und 12 proportional mit verändern. Im Magnetkreis wird durch den obigen Zusammenhang eine proportional-veränderte Magnetspannung ausgelöst, die in dem Luftspalt / zwischen den Übertragungsjochen 10 und 11 eine entsprechende Durchflutungsänderung hervorruft. Die Durchflutungsänderung wird durch die bereits erwähnten Feldplatten festgestellt.

Im Magnetkreis 2 mit den Magneten 3 und 4 (F i g. 1) wird gegenüber dem Magnetkreis 1 eine angepaßte konstante Feldstärke aufrecht erhalten, die sich aber in Abhängigkeit von der Temperatur des Wegegebers ändert. Der Temperaturgang kommt durch folgende temperaturabhängige Größen zustande:

1. Feldstärkeänderung der Dauermagnete,

2. Permeabilitätsänderung der Magnetwerkstoffe (Übertragungsteile),

3. Temperatur-Koeffizient des Halbleilerwerksloffes der Feldplatten.

Da im Magnetkreis 1 gleiche Übertragungswerkstoffe, gleiche Dauermagnete und gleiche Feldplatten wie im Magnetkreis 2 verwendet werden, kann durch den Magnetkreis 2 der Temperaturgang des Magnetkreises 1 kompensiert werden.

Die F i g. 5 zeigt unter der Einrahmung 41 die im Geber vorgeschlagene Verschaltung der Feldplatten 42, 43 und 44, 45. Die Feldplatten 42 und 43 liegen im Magnetkreis 1 und ändern also während einem Meßgang durch die Varianten des Magnetfeldes ihren ohmschen Widerstand. Die Feldplatten 44 und 45 liegen im Magnetkreis 2, werden von einem konstanten Feld durchflutet und haben einen konstanten ohmschen Widerstand. Die Konstanz bedingt gleichbleibende Temperatur. Bei einer Temperaturärtde- rung ändern sich die Widerstände 44,45 und die Widerstände 42, 43 durch die bereits beschriebene Anordnung in gleicher Weise, wodurch bei der vorgeschlagenen, lange bekannten »Vollbrückenscihaltung« die Ausgleichung der Temperaturkoeffizienten für Meßaufgaben sehr exakt gewährleistet ist.

Für die Abgleichung der im Geber verschalteten VoUbrücke, die am Geberstecker 24 V-Och bei 46 und 47 (F i g. 5) zur polweisen Einspeis, ig konstant

Claims

gehaltener Ströme mit zwei getrennten Anschlüssen ausgerüstet ist, werden die in F i g. 5 mit 48 und 49 gezeigten Widerstände vorgeschlagen. Die gezeigte Widerstandsschaltung ist sehr einfach und genügt bei richtiger Dimensionierung den vorliegenden An-Sprüchen. Der Festwiderstand 48 verlegt das Potential am Punkt 46 so, daß mit dem variablen Widerstand 49 der Spannungspunkt 51 gegenüber seinem Gegenpol 50 auf die Spannung Null bei irgendeinem Verharrungszustand des Meßlineals 36 eingestellt werden kann. Es ist mit der Verstellung des Potentio- ■ meters 49 also möglich, den Spannungspunkt 51 in positiver wie auch negativer Richtung gegen den Spannungspunkt 50 einzustellen. Die Montage der Abgleichschaltung wird vorzugsweise in dem Geberverstärker vorgeschlagen. Das Meßlineal 36 kann bei einem vorgeschlagenen Wegmesser von dem Hersteller des zu messenden Gerätes oder vom Hersteller des Gebers angefertigt werden. Voraussetzung für die Funktion des Gebers ao ist die Verwendung von einem magnetisch gut leitenden Werkstoff für das Meßlineal 36, der auch biegsam und aufrollbar sein kann. Das Meßlineal 36 wird vorzugsweise direkt mit dem Ausführungsorgan des zu messenden Weges verbunden. Je nach Empfindlichkeit des an den Geber angeschlossenen Verstärkers kann das Meßlineal mit einer sehr flach ver- laufenden Steuerkante 38 versehen werden. Damit ist gewährleistet, daß der hier zur Erfindung vorgeschlagene Geber zur Messung langer Wege geeignet ist. Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum berührungsfreien Messen von langen Wegen unter Verwendung wenigstens eines Magnetkreises, dessen Durchflutungsänderung durch einen auf diese Änderung ansprechenden, an einer Brücke liegenden Widerstand gemessen wird, wobei sich in dem Luftspalt des Magnetkreises ein beweglicher Meßkörper befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der in einer zangenartigen Öffnung der mit ebenen Polflächen (8,9) versehenen Magnetpole (6,7) geführte Meßkörper (36) als Meßlineal mit einer zur Längsachse des Lineals geneigt verlaufenden Steuerkante (38) ausgebildet ist, die senkrecht zu dem Luftspalt liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter selbständiger Magnetkreis (34) angeordnet ist, der im unmittelbaren Temperaturbereich des ersten Magnetkreises (5) und in einer gut wärmeleitenden, als Wärmespeicher dienenden Masse (18) angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen