DE1448849A1

DE1448849A1 - Energiewandler

Info

Publication number: DE1448849A1
Application number: DE19641448849
Authority: DE
Inventors: Church Kingsley
Original assignee: Kaman Aircraft Corp
Current assignee: Kaman Aircraft Corp
Priority date: 1964-12-22
Filing date: 1964-12-22
Publication date: 1969-07-17

Description

Energiewandler Die Erfindung bezieht sich auf Energiewandler und insbesondere auf solche Energiewandler, die auf der Grundlage von Wirbelströmen arbeiten.
Die auf diesem Gebiete bekannten Einrichtungen verwenden im allgemeinen veränderliche Reluktanzen oder veränderliche Kapazitäten, oder verwenden Dehnungsmesser, die die Bewegungen anzeigen und dieselbe in meBbare elektrische Signale umwandeln, die proportional diesen Bewegungen sind.
Eine Art von Energiewandlern die bereits vorgeschlagen wurden, benutzen für die Messung von DifferenzialdrUcken den Grundsatz der veränderlichen Reluktanz. Hierbei wird ein druckempfindliches Diaphragma aus einem magnetischen Material in einem Abstand zu einem Polstück angeordnet, das eine Spule trägt. Wenn das Diaphragma stich in Bezug auf das PolstUck bewegt, erzeugt der Wechsel in der Induktanz und Reluktanz in der Spule ein elektrisches Signal in der WindungX Ein Paar von Spulen, die an Jeder Seite des magnetischen Diaphragmas angeordnet sind, bewirken als Funktion der Bewegung des Diaphragmas eine meßbare Ungleichheit. Die bekannts Einrichtungen, die magnetiohe Schaltungen benutzen, weisen ernste Nachteile auf, die darin bestehen, daß die Permeabilität der magnetischen Komponenten temperaturempfindlich ist, die Frequenzenhöhen fttr diese Einrichtungen begrenzt sind und Amplituden, die bei den Ausgangs signalen auftreten, notwendigerweise gering sind und somit eine weitere Verstärkung fttr eine wirksame Ausnutzung benötigen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Energiewandler, deirflindestens eine Spule enthält, die in Betrieb mit einem Wechselstromkreis verbunden ist und eine nichtmagnetische elektrisch leitende Einrichtung aufweist, die unmittelbar in der Nähe dieser Spule angeordnet ist und die gegenüber der Spule eine relative Bewegung ausführt, wobei die wirksame Impedanz der genannten Spule als Funktion dieser Bewegung veränderbar ist. Zur besseren Erläuterung der vorliegenden Erfindung zusammen mit anderen weiteren Merkmalen dieser Erfindung wird auf die beiliegende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei der Umfang der vorliegenden Erfindung in den beiliegenden Patentansprüchen zusammengefaßt ist.
Die beiliegenden Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 von Fig. 1,der das Innere dieser Konstruktion eines druckempfindlichen Energiewandlers gemäß der vorliegenden Erfindung erkennen lEßt.
Fig. 3 eine Schaltung, eines erfindungsgemäßen Energiewandlers, die direkt an eine Wechselstromspannung anschließbar ist.
Fig. 4 eine andere ßchaltungsanordnung, , die den erfindungsgemäßen Energiewandler darstellt, die an eine Wechselspannung anschließbar ist.
Fig. 5 eine Schaltungsanordnung für den erfindungsgemäßen Energiewandler, die für eine Glichspannung vorgesehen ist.
Fig. 6 eine grafische Darstellung der Stromdichte als Funktion der Tiefe unterhalb der Oberfläche eines Leiters.
Fig. 7 eine grafische Darstellung der Tiefe einer Stromdurchdringung in Zoll als Funktion der Frequenz in einem Leiter aus Elektrolytkupfer.
Fig. 8 eine grafische Darstellung der Widerstands änderung des Energiewandlers tn Abhängigkeit von der Temperatur für Silber, Kupfer, Gold und Aluminium.
Fig. 9 eine qualitative Darstellung der Stromverteilung eines stromführenden Leiters auf eine metallische Platte in Abhängigkeit von dessen Nähe.
Fig.lO eine grafische Darstellung der relativen Ausgangsspannung des Energiewandlers bei verschiedenen Stärken eines Kupfer-D5aphragmaXni Eingangsfrequenzen von 50 kHz, 100 KHz und 150 kHz.
Fig. 11 eine grafische Darstellung der Ausgangspannung des Energiewandlers bei verschiedenen Eingangs spannungen.
Fig. 12 eine grafische Darstellung der husgangsspannung des Energiewandlers in Abhängigkeit vom Druck.
Fig. 13 eine grafische Darstellung der Ausgangsspannung des Energieweanlers in Abhängigkeit vom Druck bei verschiedenen Teniperaturen.
Fig.14.- 17 andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
In den Fig. 1 und 2 ist eine verbesserte Ausführung eines mit einem Diaphragr,ia versehenen Energiewandlers 10 dargestellt, der auf der Grundlage arbeitet, die am besten als ein veränderbarer Energieverlust,als ein Widerstand bei Wechselspannung oder als Wirbelstromprinzip bezeichnet werden kann.
Dieser neue Aufbau gestattet einen Energiewandler herzustellen, der Haterialvorteile gegenüber den bekannten Einrichtungen aufweist. Der Energiewandler enthält ein Gehäuse 12, das aus zwei Hälften 14 und 16 hergestellt ist. Jede Hälfte enthält eine Aussparung 18 bzw. 20. Die Gehäusehälften werden von einem nichtmagnetischen elektrisch leitenden Diaphragma 22 abgeschlossen, das zwischen den beiden Gehäusehälften eingesetzt ist und daß in dem Gehäuse zwei Räume bzw. zwei Kammern 24 und 2o bildet, wobei das Ganze durch Schrauben 27 zusammengehalten wird, die eine druckfeste Verbindung zwischen den verschiedenen Teilen herstellen. Der Boden aus Aussparungen 18 und 20 ist mit einer weiteren Aussparung 28 bzw. 30 versehen, in der Spulengebilde oder Kerne aus nichtmagnetischem dielektrischem Ivlaterial 32 und 34 befestigt sind, in einer Art, daß ein druckfester Verschluß zwischen den entsprechenden Spulengebilden und de Gehäuse hergestellt wird.
Die Spulengebilde 32 und 34 tragen Spulen 36 und 38, die in dichter Nähe Seite an Seite von dem Diaphragma 22 angeordnet sind. Die runden der Spulen 36 und 38 sind an Leitungen angeschlossen, die aus einem Stück mit den Spulengebilden 32 und 34 hergestellt, oder darin in einer geeigneten leise befestigt sein können. Die Leitungen werden aus dem Boden Jedes Spulenträgers. durch Durchgangsöffnungen 40, 42, 44 und 46 geführt, die den Boden aus Aussparungen 28 und 30 mit dem äußeren des Gehäuses verbinden. Die äußeren Enden dieser Durchgänge sind mit isolierenden elektrischen Klemmen 48, 50, 52 und 54 verschlossen, so daß ein druckdichter Verschluß gebildet wird. Die Leitungen aus Jedem Spulende sind an die Klemmen 48, v0, 52 und 54 angeschlossen, die an einen äußeren elektrischen Stromkreis anschließbar sind.
Jede Hälfte 14 und 16 des Gehäuses ist mit einem Druckanschluß 50 und 58 versehen, der Jeweils in das Innere der Kammern 24 und 26 an beiden Seiten des Diaphragmas 22 fuhrtX.
Wenn ein Druck an eine der Druckleitungen angelegt wird, wird das Diaphragma 22 gegen eine Endoberfläche von einer Spule verschoben, während der Abstand zwischen der Endoberfläche der anderen Spule und dem Diaphragma vergrößert wird.
Wenn die Spulen des Energiewandlers als zwei Zweige einer Wechselstrombrücke geschaltet sind, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ändert sich die Ausgangsspannung aus der Brücke mit der änderung des angelegten Druckes. Mit den Widerstandszweigen 60 und 62 die gleiche den Spulen 36 und 38 und von einer gleich chen Induktanz und Ausbildung ausgeführt sind und die im gleichen Abstand von dem Diaphragma befestigt sind, ist die Ausgangsspannung an den brückenklemmen 64 und 66 gleich Null.
Wenn ein Druck an eine Seite des Diaphragmas über einen der Druckeinlässe angelegt wird, obwohl das Diaphragma sich gegen eine der Spulen bewegt, werden die Wirbelstromverluste in dieser einen Spule erhöht und in der anderen Spule herabgesetzt, wodurch das Gleichgewicht in den vier BrUckenzweigen verändert wird und ein Ausgangssiganl der diesem veränderten Gleichgewicht entspricht, erzeugt wird, das von der Lage des Diaphragmas herrührt und an den Klemmen 64 und o6 erscheint und an diesen Klemmen abgetastet und gemessen werden kann.
Der Energiewandler gemäß der vorliegenden erfindung kann im gesamten aus nichtmagnetischen Materialien hergestellt werden, wobei die normalen Probleme der änderung der Permeabilität mit der Änderung der Temperatur und die entsprechenden Fehler die bei Anwesenheit von magnetischen Elementen in den bekannten Sinrichtungen festgestellt werden konnten, hierdurch vermieden werden. Die Spulen 36 und 38 sind Spulen mit einem Luftkern, die mit isoliertem Kupferdraht oder aus anodisiertem Aluminiumdraht gewickelt sind. Das Diaphragma 22 kann aus Elektrolytkupfer oder Phosphorbronze oder anderen nichtmagnetischen Mate@ialien für gewisse niedrige Drücke hergestellt sein, während bei höheren Drücken im allgemeinen ein rostfreies Stahldiaphragma verwendet werden kann, das mit einer dünnen Schicht von Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium oder Chrom oder anderen guten elektrischen Leitern belegt ist, auf der Fläche, die direkt den Spulen gegenüberliegt und im allgemeinen als die "wirksame Fläche des Diaphragmas bezeichnet wird. Das-Diaphragma muß aus einem nichtmagnetischefl Material hergestellt sein und zumindest die wirksame Fläche des Diaphragmas ist aus einem Material hergestellt, das eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist. Je größer die Leitfähigkeit umso größer ist die Ausgangsempfinslichkeit des Energiewandlers.
Das Gehäuse 12 ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl oder einem anderen nichtmagnetischem Material hergestellt, das einen geringen Ausdehnungskoeffizent aufweist und gegenüber Korrosionseinwirkungen widerstandsfähig ist.
Die Konstruktion des Energiewandlers nach Fig. 1 und 2 kann mit Uberlastun0sschutz für die Spulengebilde 32 und 34 versehen sein, so daß ein Anschlag für das diaphragme an einem Punkt beim Erreichen seines vollen Hubes vorgesehen ist.
Der Energiewandler gemäß der vorliegenden Erfindung isb durch Verwendung von Luftspulen und Vermeidung der Notwendigkeit von magnetischen Elementen frei von Fehlerquellen, die bei den bekannten Einrichtungen auftreten.
Ferner gestattet die Abwesenheit von magnetischen Elementen die Verwendung bedeutend höherer Eingangsfrequenzen, mit dem Vorteil der wesentlich höheren Frequenzempfindlichkeit, als es bei den bekannten Einrichtungen der Fall ist.
Die wirkungsweise des Energiewandlers gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den Wechselstromverlusten begründet, die in den entsprechenden Spulen von den benachbarten Wirbelströmen verursacht werden. Diese Verluste führen dazu, daß das Gleichgewicht der Wechselstrombrücke, die durch die Spulen gebildet wird, verändert wird, und ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird, das eine Funktion der Lage des Diaphragmas in Bezug auf die Spulen darstellt. Bei einer zweckmäßigen Auswahl der Veränderlichen kann eine Ausgangsspannung der Brücke als lineare Funktion der Kräfte, die auf das Element wirken, erz lot werden.
Die höchsten Gruppen der Hochfrequenzverluste, die bei der Spulendiaphragmaanordnung nach Fig. 1 und 2 in Betracht gezogen werden müssen, sind: die Spulenverluste oder die Energie, die als Wärme in den Spulenwindungen verlorengeht; der energieverlust, der mit der Bildung von Wirbelstroßmen die in dem Metalldiaphragma erzeugt werden, verbunden ist ; die Spulenverluste aufgrund der dielektrischen Verluste und die Verluste in der Spuleninduktanz, die aufgrund der Idähe des Diaphragmas entstehen.
Bei der berücksichtigung der Spulenverluste die bei dein Energiewandler gemäß der vorliegenden Erfindung für Gleichstromschaltungen auftreten, kann der Widerstand eines Lei= ters wie folgt bestimmt werden: (10 K = x # lt In dieser Formel bedeuten: r = Widerstand in ohni # = widerstandswert in Ohm/m 1 = die Länge des Leiters in m k = der Querschnitt des Leiters in qn.. denn sich indessendie Frequenz der Eingangsspannung erhöht, dann ist bekanntlich die Stromverteilung in dem Leiter nicht gleichmäßig. Bei hohen Frequenzen wird annähernd der ganze Strom sehr nah an der äußerne Oberfläche des Leiters konzentriert. Diese Erscheinung ist als "Skin-Effekt" oder "Haut-Wirkung" bekannt.
Aufgrund der ungleichen Stromverteilung in einem Leiter bei hohen Frequenzen, ist es erforderlich, den Hochfrequenzwiderstand zu berücksichtigen, der gleich ist der verlorengegangenen Energie, dividiert durch den Quadrat der Stromstärke.
(2) R = P x 1-2 oder L2H = P.
Die Stromdichte bei hohen Frequenzen verändert sich als Funktion einer Tiefe unter der Oberfläche. wie es in Fig. 6 gezeigt ist, ist das Verhältnis der Stromdichte zur Tiefe der Durchdringung annähernd exponential vorausgesetzt, daß der Leiter im Vergleich mit der Tiefe d dick ist, wobei die Stromdichte auf I des Oberflächenwertes herabsinkt.
Die Phase des Stromes verändert sich direkt wie die Tiefe und in einer Tiefe d eilt der Oberflächenstrom i w1, eine Bogeneinheit nach.
Für theoretische Betrachungen ist es bequemer, eine willkürliche Stromdichte in Bezug auf die Tiefe zu verwenden, als die wirkliche Tiefe gemäß der Kurve A (Fig. o). Die Kurve B setzt voraus, daß die Stromdichte und Phase gleich für eine gegebene Tiefe unterhalb der Leiteroberfläche sind, mit keiner weiteren Druchdringung dieser Tiefe. In diesem Fall muß die Höhe der Kurbe B 2 mal der Stromdichte an der wirksalr, en Oberfläche sein, während die Tiefe d die durch diese Kurve dargestellt ist, von dem Widerstandswert und der Permeabilität des Leiters sowie von der Frequenz abhängig ist. Diese willkürliche Tiefe der Durchdringung d ist als "Hauttiefe" bekannt und kann wie folgt ausgrefilhrt werden: In der Gleichung bedeuten: d = die Hauttiefe in m # = der widersoand des Leiters in ohm x m = = die Permeabilität in Henry pro m f = die Frequenz in Hz Die Gleichungen 1 und 3 können verwendet werden, um gewisse wichtige Verhältnisse von besonderem Interesse in dem vorliegenden Fall zu erhalten. Aus der Gleichung 3 kann ersehen werden, daß ide "Hauttiefe", sich direkt proportional mit der @uadratwurzel des Widerstandswertes des Leiters und umgekehrt proportional der Quardratwurzel der Frequenz ändert. Da die Permeabilität von Kupfer, Silber oder anderen nichtmagnetischen Leitern, die in dem Energiewandler verwandung finden, sehr nahe = 1 ist, kann die Permeabilität für alle prkatischen Zwecke vernachlässigt werden.
Beim Einsetzen der (Gleichung 3) für die "Hauttiefe" multipliziert mit einer konstanten K für die Querschnitts£läche in die Gleichung 1 erhält ran die beziehung: Die Gleichung (4) zeigt, daß der Widerstand bei hohen Frequenzen proportional der Quadratwurzel des Widerstandswertes des Leiters ist. Außerdem zeigt sie, daß der widerstand proportional der Quadratwurzel der Frequenz ist, Wenn die Gleichung (2) so umgeordnet wird, daß ist, so folgt hieraus, daß Illit einer konstanten Eingangsenergie an der Spule der Strom umgekehrt proportional der Quadratwurzel des Widerstandswertes ist.
Da beiden hohen Frequenzen der Widerstandswert proportional der Frequenz ist, ergibt sich die Gleichung Da also die Energieverluste wie folgt ausgedrückt werden können: (7) P = E2/R dann wird bei Annahme einer konstanten Eingagnsspannung nachstehende Gleichung erhalten: Bin weiteres bedeutendes Verhältnis besteht in Bezug auf die Spannung. In Wechselstromkrisen wird das ausgedrückt als ein Produkt der Stromstärke mal der Impedanz. Bei einer Spule, die einen Luftkern hat und mit einer Anzahl von windungen versehen isc, wie sie in dem Energiewandler gemäß deser erfindung verwendet wird, ist der Gleichstromwiderstand sehr lein, im Vergleich mit der Reaktanz; daher kann eine große Annäherung erreicht werden, wenn angenommen wird, daß worin E die Spannung, I die Stromstärke und X die 1r1.pedanz bedeuten.
Die Reaktanz X einer Spule ist gleich 2 x f l, so daß die 1eaktanz direkt proportional der Frequenz ist.
Das der Strom umgekehrt proportional einem viertel der Frequenzenergie in der Gleichung (6) ist, ergibt sich die Gleichung: In dem Metalldiaphraga, das sich in der Nähe des einen spulenendes befindet, werden aufgrund der Kraftlinien die in das diaphragma durch den Wechselstrom der an der Energiewandlerspule erregt wird, eindringen, Wirbelströme erzeugt. Diese Wirbelströme bewirken 12, R Verluste, die er Spule zugeführt werden müssen. Diese Verluste haben daher aie Wirkung einer Erhöhung des wirksamen widerstandes der Spule. Die allgemeinen Verhältnisse zwischen dem Energieverlust, dem Widerstand, der Frequenz und dem siiderscanaswert des Diaphragmamaterials sind wie vorstehend erwähnt anwendbar.
Die Tiefe der Durchdringung der Wirbelströme in das Diaphragmt folgt gleicherwelse dem Verhältnis, daß in der Gleichung (30 ausgedrückt ist. wenn die Frequenz des stromes erhöht wird, können in einer erhöhten Weise dünnc-re Diaphrág. len veriendet werden, wodurcn immer noch ein maximum an Verlusten infolge der wirbeslströme entsteh@.
In Fig. 7 ist die Durchdringung oder ide "Skin-Tiefe" infolge von wirbeloströmen als Funktion der Frequenz fkr einen Leiter aas Kupfer gezeigt. In diesen Fall ist für Kupfer bei 20°C # = 1,724 x 10-8 Ohn/m + # = 1,26 # kenr@/m.
Das Einsezen dieser Werte in die Gleichung (3) ergbt d = 5,52 x f1/2 cm.
Wie aus der Fig. 7 zu ersehen ist, ist die "Hauttiefe" bei Kupfer bei 10 kHz 0,3 nun bei 500 hIz ist die wirksame Durchdringungauf 0,0955 mm abgesunken, während bei 2 0iHz die Tiefe nur noch 0,0455 mm beträgt.
Wenn das Diphragmamaterial geändert wird, so, daß statt Kupfer ein anderes Material gewählt wird, ändert sich die "Hauttiefe" selbtverständlich im Verhältnis mit Jedem Widerstandswert und @ermeabilitätswechsel. Da der Widerstandswert eines gegebenen F1aterials aßerdem sich auch mit der Temperatur ändert, ändert sich die "Hauttiefe" ebenfalls entsprechend. Sig. s zeigt eine schematische Darstellung für Silber, Kupfer, Gold und Aluminium über einen Temperaturbereich von-128° bis + 5370C. Im allgemeinen ergeben gute Leiter einen besseren linearen Verlauf und eine kleinere Widerstandsänderung mit der Temperatur, als legierung oder schlechte leiter.
Die Wirkung der Nähe wird bestimmt als eine Zerstärung des Wdchselstromflusses in einem Leiter gegenüber den jenigen benachbarten Leiters. In dem Energiewandler, der in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist sowohl die Spule als auch das Diaphragma dieser Näherungswirkung unterworfen.
Bei Betrachtung der Spule selbst, erfolgt dort eine Rückverteilung vom Strom in den Windungen aufgrund der Gegeneinanderwirkungen des magnetischen Flusses der durch benachbarte Spulenwindungen hervorgerufen wird. Dieser magnetische Fluß kann derJenige sein, der durch die Wirbelströme in der Nähe der Windeungen erzeugt wird.
Wenn eine flache Metallplatte oder ein diaphragma in die Nähe der Windung gebracht wird, wird dort außerdem eine Rückverteilung von Strom in den Spulwindungen bewirkt und die Stromdichte wird in der Metallplatte zusammengedrängt.
Diese Wirkung der Rückverteilung ist in einer qualitativen Art und schematisch in der Fig. 9 für einen einzigen Leiter gezeigt, wobei der Leiter mit der Bezugsnummer 68 und die leitende Platte mit 70 gekennzeichnet sind. Die Stromverteilung 69 in dem Leiter 68 und in der Platte 70 ist in dem Abstand zwischen Platte und Leiter verzehrt, Da nun der Strom in gewissen Teilen des Leiters verdichtet ist, kann festgestellt werden, daß die Energieverluste oder der wirksame Energiewiderstand grömer sind. als wenn das Diaphragma die benachbarten Spuiwindungen nicht anwesend sind.
Die Stromverteilung wird mehr betont wenn der Abstand zwischen dem leiter und der P latte kleiner hergestellt wird und wenn die Spulenwindungen dicht gewunden sind.
Mit einer flachen, dicht gewundenen Spule mit vielen windungen, die clit ihren Endoberflächen parallel zu der diaphramaoberfläche angeordnet ist, ist die Stromdichte direkt unter der wirksamen Spulenfläche recht gleichförmig. Die Stromdichte wird indessen sehr scharf unterbrochen, wo die wirksame Oberflache der Spule aufhört, vorausgesetzt, daß der Spalt zwischen der Spule und dem Diaphragma klein gehalten wird. In den energiewandlern gemäß der vorliegenden Erfindung trägt nur die wirksame Fläche des Diaphragmas, die direkt gegenüber der Spule liegt, zu den veräwjerlichen Verlusten der Spule bei und ergibt somit ein Ausgangssignalß wenn das siaphragma bewegt wird. die verteile Kapazität in der Spule führt zu einigen Verlusten in den festen Isolierzwischenlagen, die in dem Spulengebilde oder der Spule bzw. inder Drahtiscolation verwendet werden.
Das Heranbringen des Diaphragmas dicht an die Spule erhöht @ic verteilte Kapazität und erhöht weiterhin die dielektischen Verluste.
Die dielektrischen Verluste können als Äquivalent des Relhenwiderstandes dargestellt werden.
FP (11) RD = -2#fC in der Gleienung bedeuten: @D den Äqulvalen@treoichenwiderstand FP den Energiefaktor der verteiltwen Kapazitä@ f Frequenz C verteilce Kapazität.
Bei becrachtung der Totalverluste, muß dieser äquvalente @eienwiderstand der die dielektrischen Verluste darstellt, zum gesamten widerstand der Spule hinzuaddiert werden.
Die Gleichung (11) zeigt daß ui. umgekehrt proportiollal der Frequenz ist.
Ein Induktivitätsverlust wird außerdem durch Heranbringung des Diaphragmas in dichte Nähe zu der wikswamen Oberfläche der Spule unterstätze, indem eine Verringerung der wirksamen Induktiviät der Spule bewirkt wird. Dieses ist ein Ergebnis cer Wirkung der metallischen Plates als ein @eilwise nlcht magnetisches Schild und die in den gesamen Fluß, der durch die Spule erzeugt wird, eingreift. Die Vermi@@@rung der Anzahl der Flußlinien hat die Wirung einer @@run g der magneische @@luktanz der s@@@@.
Der Energiewandler mit veränderbaren Wirbelströmen, gemäß der vorliegenden Erfindung, wird als ein oder mherere wirksame Zweige einer elektrischen -Brückenschaltung benutzt.
Die Schaltungen nach den Fig. 3, 4 und 5 zeigen verschiedene Ausführungsmöglichkeiten einer Wechselstrombrücke, um gleich- und Wechselstromausgangsspannungen zu erhalten.
Die Schaltung nach Fig. 3 zeigt eine Art einer echselstrombrücke mit den Spulen 36 und 38 eines Energiewandlers die die wirksamen Zweige und mit Widerstandselementen 60 und 62, die die passiven Zweige der Brücke bilden.
Die )jiderstandselemente 60 und 62 können veränderbar ausgeführt werden, um das elektrische Gleichgewicht des Energiewandlers herzustellen. In gewissen Fällen kann es erwünscht sein, eine oder zwei Energiewandlerspulen durch eine blinde oder feste spulendiaphragmaanordnung zu ersetzen. Ein geeigneter Widerstand, Kapazität, Induktanz oder eine Kombination kann außerdem für eine der Spulen als eine einzige Spule eingesetzt werden, die für ein Ausgangssignal erforderlich ist. Ein Oszillator 72 ist an die Klemmen 71 und 73 der 3rücke angeschlossen und wenn die Brückenzweige 36 und 38, 6o und 52 ausgeglichen sind, erscheint an den Klemmen 64 und 66 eine ausgangsspannung gleich Null. enn die Verluste in den Spulen 36 und 38 durch die Bewegung des Diaphragmas 22 näher an die eine Spule und fort von der anderen Spule verändert werden, erzeugt diese Abweichung eine Spannung an den Klemmen 64 und 60, die als Ausgangssignal dient.
Fig. 4 zeigt eine abgeänderte Brückenschaltung, bei der die Energiewandlerzweige an die Sekundärwindungen von sättigsauren transformatoren 54 und 66 angeschlossen sind und variable Impedanzbelastungen darstellen. Die Prinärwindungen sind als zwei wirksame Zweige der Brücke geschaltet.
Diese Schaltung ftat den Vorteil, wenn es erforderlich ist, die Impedanzhöhen zwischen denjenigen des Energiewandlers und der Ausgangsspannung aus der Brücke an den Nxlermsen 64 und 66 zu verändern. denn in dem Energiewandler Luftspulen verwendet werden, kann die Impedanz in der Größe von 10 - 50 ohm gewählt werden, was für lange Kabelwege geeignet ist. Beim Anschluß eines solchen Energiewandlers in der Schaltung nach Fig. 4 kann mit einer geringeren Antriebsenergie des Oszillators 72 gearbeitet werden, als es bei der Schaltung 3 erforderlich ist.
Die Schaltung die in Fig. 5 gezeigt ist, stellt eine weitere Ausführungsmöglichkeit einer Brücke dar, um eine gleiche richtets Ausgangsspannung zu erhalten. Die Ausgangs spannung an den Klemmen 64 und 56 ist polaritätsempfindlich und ändert ihre Polarität in Abhängigkeit von der wichtung, in die der Energiewandler abgelenkt wird. Die Gleichrichter 75 und 77 die für die Gleichrichtung der Brückenspeannung vorgesehen sind, ergeben an den Ausgangsklemmen 64 und 66 eine Gleichspannung. Der Kondensator 78 dient zur Filterung und Halbwellen des Gleichstromausgangs und kann durch ein hoch entwickeltes Filter für zunehmende hohe Frequenzen ersetzt werden.
Die Null-Abgleichung der SechselstrombrUckenschaltung nach den Fig. 3 und 4 wird mittels der veränderlichen widerstände 61 und 63 ausgeführt, wobei 61 benutzt wird um die Widerstandskomponente auszugleichen und 63 verwendet wird, um ein "Q"-Gleicchgewicht zwischen den zwei Energiewandlerzweigen zu erhalten. Bei der Schaltungnach Fig. 5 für eine gleichgerichtete Ausgangsspannung ist nur ein Widerstand 61 erforderlich, um eine Null-Ausgangsspannung zu erhalten.
Es wurden zahlreinche versuche ausgeführt, um die theoretischen betrachtungen zu bestätigen. Hierbei wurde festgestellt, daß die Stärke des Diaphragr, las die für das glaximum an Ausgangsspannung erford@rlich ist, bei einer gegebenen Frequenz beträchtlich kleiner sein kann, als diejenige die theoretisch aus der Gleichung der "Hauttiefe" bestimmt wurde.
Die wirkung der verschiedenen Diaphragmamaterialien ist durch die Daten in der Tabelle 1 dargestellt die zeigt, wie die relative Ausgangsspannung, die von einem Energiewandler nach Fig. 1 und 2 erhalten wird, wenn das Diaphragma aus verschiedenen Materialien hergestellt ist.
In jedem Falle hatte das Diaphragmamaterial mindestens die 3-fach "Hauttiefe", die für eine MHz Eingangsfrequenz erfor= derlichist. Die Versuche wurden alle mit einer Xnderung von 0,0127 mm in dem Spalt zwischen Diaphragma und deti Spulenende ausgeführt, und zwar von einem Abstand von 0,0152mm bis 0,0254 mm Spalt zwischen Spulenende und dem Diaphragma.
Die Spalten bestanden aus 80 Windungen eines einfach ernaillierten Drahtes# 34 wobei eine Spule von 1 mm sträke und 9,6 mm # hergestellt wurde.
Tabelle 1 Material Legierung Stärke ausgangs- Widerstandsin mm spannung wert Silber 99,9 ß 0,023 + 0,160 1,59 Kupfer 99,9 % 0,108 + 0,158 1,71 Aluminium 99.,0 % 0,024 + 0,158 2,92 Messing 33 w Cu 0,107 + 0,138 6,4 Beryllium- 68 % Zn Kupfen # 25 $0,254 + 0,138 4,82 Phosphor-Bronze Typ A 0,018 + 0,135 9,6 Tabelle 1 / Fortsetzung Material Legierung Stärke ausgangs- Widerstandsin mm spannung wert Kupfer- 35 % Ag, 0, 254 + 0,126-Silber 65 ß Cu Titan 99,0 % 0, 34 + 0,090 55,0 Rostfreier Stahl #321 0, 33 + 0,088 72,0 Invar- ,o Ni Stahl 34 % Fe 0, 33 - 0,022 31,0 ilonelmetall --- o, 79 - 0,017 53,2 Die Elngangswspannung bei den Versuchen die in der Tabelle 1 gezeigt sind, betrug 3 Volt. Wie aus der Tabelle zu ersehen ist, wurde die größte ausgangsspannung nilt einem Material erhalten, das die größte Leitfähigkeit und den niedrigsten widerstandswert hatte. Solche Materialien erzeugen die größten I2R-Verluste in der Schaltung.
Wie vorstehend erlätert wurde, muß das Diaphragme für eine maximale Ausgangsspannung eines Energiewandlers eine Permeabilität aufweisen, die nicht wesentlich grömer als etwa 1 ist, dh. das Material muß nichtmagnetisch sein. In der Tabelle sind zwei Materialien zum Vergleich enthalten, Invar-Stahl und Monelmetall, die annähernd Permeabilitäten von 5000 - 2000 aufwisen. Die Ausgangsspannung bei diesen Materialien ist mit einer negativen Polarität deargestellt um anzugeben, daß ein kleiner Gewinn bei Verringerung des Spaltes in der Schaltung durch diese Mateialien erhalten wurde, anstelle eines Verlustes, $afgrung der Erhöhung der Spulenindukcanz.
Die vorstehende Betrachtung der "Hauttiefe" zeigt, daß bei einer gegebenen Frequenz ein Diaphragma von einer geringeren Stärke als der benötigten, eine geringere Ausgangsspannung des Energiewandlers als die maximale Ausgangsspannung ergibt. Ein Diapahragma das stärker ist als die benötigte Stärke der "Hauttiefe" ergibt keine größere ausgangsspannung. Ferner wurde festgestellt, daß die maximale Diaphragmastärke für die maximale Ausgangsspannung geringer werden muß, wenn sich die Ein-. gangsfrequenz erhöht.
Es wurden witere Versuche ausgeführt, wum dies Erkenntnisse zu bestätigen. Es wurden zwei mit offenen Enden versehene Spulengebilde mit 120 Windungen von einfach emailliertem Draht 4F30 gewickelt. Die Schaltung war diejenige nach Fig. 3 wobei die Widerstände 62 und 64 jeweils 25 ohm betrugen. Die Eingangsspannung der Brücke vom Oszillator 72 aus wurde mit 1 Volt konstant gehalten.
Die Ausgangsspannung E; für eine gegebene Diaphragmastärke und Frequenz wurden bestimmt, indem zuerst ein "Mylar"-Abstandshalter mit 0,0127 min Stärke zwischen Jede Stpule und die entsprechende Diaphragmaseite eingesetzt wurde und die erhaltene Ausgangs spannung von derjenigen Ausgangs spannung subtrahiert wurde, die erhalten wurde, wenn der Abstandshalter fortgenommen wurde. Die Diaphragmen bestanden aus einer oder mehreren 0,0285 mm dicken Platten aus Elektrolytkupfer.
Fig. 10 zeigt grafisch die minimalen Diaphragmastärken um ein Maximum der Ausgangsspannung bei verschiedenen Eingangsfrequenzen zu erhalten. Es wurde festgestellt, daß die Diaphragmen beträchtlich dünner als diejenigen die berechnet wurden, sein können, um eine maximale Ausgangsspannung bei einer bestimmten Frequenz zu erzielen. Ferner wurde festgestellt, daß die Ausgangsspannung umso höher ist, Je höher die Frequenz gewählt wird.
Eine Reihe von Versuchen wurde ausgeführt, um die Wirkung auf die Ausgangsspannung, die Ausgangsimpedanz und die Ausgangsenerige mit der Andlrung der Anzahl von viinaungen in den Spulen bei verschiedenen Eingangsfrequenzen zu bestimmen. Für diese Versuche wurde die Wechselstrombrückenschaltung nach Fig. 3 wieder verwendet. Der Spulendurchmesser für alle Versuche wurde mit 9m5 mm konstant gehalten und alle Spulen außer der Spule mit 50 vlindungen, wiesen eine konstante Stärke auf. Bei änderung der Anzahl der Windungen wurde die Draht abmessung so ausgewälftt, daß das Spulengebilde immer ausgefüllt wurde.
Die beiden Zweige der Brücke 60 und 62 (s. Fig. 3) bestanden für diese Versuche aus Spulen die die gleiche Anzahl von windungen und Draht Abmessungen hatten, wie die Versuchsspulen. Eine Kupfermasse wurde an diesen Spulen so befestigt, daß die gleiche Impedanz nachgebildet wurde, wie sie bei den Zweigen des Energiewandlers besteht, so, daß die Impedanzen aller 4 Brückenarme im wesentlichen gleichbBt wenn die Frequenz des Eingangssignals an die Brücke vom Oszillator 72 verändert wurde, obwohl die wirklichen Impedanzwerte bei verschiedenen Eingangsfrequenzen unterschiedlich sind.
Die beiden Spulen die die wirksamen Zweige des Energiewandlers nachbilden, wurden auf flache Kupferdiaphragmen unter Zwischenschaltung eines 0,0127 mm starken "Mylar"-Abstandshalters aufgesetzt, der zwischen der Spule und dem Diaphragma angeordnet wurde. In den Tabellen II - VI ist das Auagangasignal als die Differenz der Spannungen Eo dargestellt und zwar der Differenz zwischen der Ausgangsspannung aus der Brücke mit eingesetzten Abstandshaltern und derjeigen Spannung die erhalten wird, wenn ein Abstandshalter entfernt wurde, wobei die Spule direkt auf dem Diaphragma auflag.
Die Ausgangsimpedanz Z0 in den Tabellen stellt ebenfalls die Impedanzen eines jeden Brückenzweiges dar. tabelle 11 MHz Bingangs- ausgangs- Ausgangs- Energ@e- Energle Freq. spannung spannung Imped@nz ausgang E1 E0 in ohm Z0 P0 in # mV/V 0,5 1 0,0375 8 17,6 38 1,0 1 0,041 12 14,0 41 1,5 1 0,045 17 11,9 2,0 1 0,045 22 9,6 45 2,5 1 0,0625 30 13,0 63 3,0 1 0,054 73 8,8 54 Tabelle III Freq. Eingangs- Ausgangs- Ausgangs- Energie- Energie MHz spannung spannuing impedanz ausgang mV/V E1 E0 Z0 in ohm P0 in # 0,250 1 0,204 10 5,75 24 0,500 1 0,028 22 3,56 28 1 1 0,041 47 3,56 41 1,5 1 0,050 66 3,8 50 2 1 0,055 100 3,02 55 2.5 1 0,056 122 2,57 3 1 0,056 140 2.24 56 Tabelle IV Freq. Eingangs- Ausgangs- Ausgangs- Energie- Energie MHz spannung spannuing impedanz ausgang mV/V E1 E0 Z0 in ohm P0 in # 0,250 1 0,045 20 10,1 45 0,500 1 0,50 55 4,47 50 1 1 0,060 100 3,6 60 1,5 1 0,066 170 2,56 65 2 1-2,5 1 0,060 300 1,2 60 2 1 0,060 400 0,9 60 Tabelle V Freq. Eingangs- Ausgangs- Ausgangs- Energie- Energie MHz spannung spannuing impedanz ausgang mV/V E1 E0 Z0 in ohm P0 in # 0,050 1 0,032 13 7,9 32 0,100 1 0,038 22 6,55 38 1,150 1 0,038 30 4,8 32 0,200 1 0,042 39 4,5 42 0,250 1 0,044 47 4,13 44 0,500 1 o, o4 100 2,3 48 1 1 0,052 200 1,35 52 1,5 1 0,054 300 o, 97 54 2 1 0,0-5 500 0,605 5 2,5 1 0,055 650 0,405 98 3 1 0,230 1500 3,51 230 3,5 1 0,136 4000 0,472 138 Tabelle Vi Freq. Eingangs- Ausgangs- Ausgangs- Energie- Energie MHz spannung spannuing impedanz ausgang mV/V E1 E0 Z0 in ohm P0 in # 0,250 1 0,054 12 24 54 0,500 1 0,057 22 14,7 57 1 1 o56 47 9,25 66 1 1 0,070 66 7,4 70-2 1 0,073 95 6,5 78 Das Verhältnis der Eingangsspannung E1 zur Ausgangs spannung Eo ist über einen großen Bereich der Eingangsspannung linear wie es grafisch in Fig. 11 gezeigt ist. Eine Erhöhung der eingangsenergie zu den Spulen um eine beträchtliche Erwärmung zu erzeugen, änderte dieses lineare Verhältnis nicht.
Spannungen an dem flachen kreisförmigen Diaphragma, das an seinem Umfang eingespannt ist und somit frei von Kantenspannungen ist, können als lineare Funktion betrachtet werden, wenn der Dwrchmesser dieses Diaphragmas sehr groß i1r Vergleich mit dessen Stärke ist oder wenn nur kleine Beträge der gesamten Ablenkung auftreten. In der Praxis indessen bewegt sich das Diaphragma immer um einen steigend kleineren Betrag, wenn ein erhöhter Druck angelegt wird. Ein Verlauf der Ausgangsspannung eines Energiewandlers bei dem das Diaphragma in gleichen Anteilen bewegt wird, offenbart, daß die gesamte Ausgangs spannung für jedes Anwachsen der Bewegung sich leicht erhöht3 indem das Diaphragma dichter an die Spule heran bewegt wird.
Durch Auswahl der Größe des Diaphragmaweges, der wirksamen Diaphragn1a£lächen, der diaphragmastärken und des Spaltes zwischen diaphragma und der Spule, kann die erforderliche Linearität sichergestellt werden.
Fio. 12 zeigt den Verlauf der Ausgangs spannung des Energiewandlers gegenüber dem Druck, wobei die veränderlichen in einem korrekten Verhältnis gehalten werten, um eine lineare Abweichung von nicht mehr als 1/4 % über den ausnutzbaren Druckbereich zu erhalten. In einem Energiewandler mit linearer Charakteristik wird das Diaphragma gewöhnlich zwischen 7 und 95-h des gesamtmöglichen Spaltes zwischen einer Ausgangslage und der Oberfläche der Spule in Abhängliglkeit von dem Druckbereich bewegt.
Die Fig. 12 zeigt außerdem die wirkung auf die Ausgangsspannung, wenn das Diaphragma sich der Spule nähert und gegen die Oberfläche der Spule anschlägt, wobei Jede weitere Brhöhung der Ausgangsspannung begrenzt wird. Die Nennebewegungen des Diaphragmas liegen zwischen etwa 0,0085 mm bis etwa 0,015 mn für einen linearen Energiewandler, der im Bereich von 0,07 bis 0,7 kg/cm2 arbeitet, wenn der wirksame Diaphragmadeurchmesser zwischen etwa 9,5 und 19 nrn liegt.
Die Wirkungen der Temperatur auf den Energiewandler wurden nachfolgend untersucht. Es wurden Versuche durchgeführt, bei denen eine erhitzte Platte benutzt wurde, um das Diaphragnia bis auf eine Temperatur von 315 0C zuerwärmen. Hierbei wurde ein Energiewandler mit einer Spule untersucht, die als ein Zweig einer Brückenschaltung nach Fig. 3 angeschlossen war.
Die andere Spule und die Widerstände 60 und o2 wurden auf Raumtempeatur, d.h. auf 21 0C gehalten. gie Anordnung stellte scher, daß keine gleichen oder entgegengesetzten kompensierende wirkungen sich von anderen Punkten der Schaltung ergaben.
Die Prüfschaltung wurde mit Eingangsfrequenzen von etwa 250 kHz und etwa 1,5 MHz betätigt, wobei ein geügend kräftiges Eingangssignal auftrat, um sicherzustellen, daß eine angemessene Ausgangsspannung und eine Diaphragmabewegung von etwa 0,0127 mm sich ergaben..
Die Differenz in dem Ausgangssignal aus dem Energiewandler wurden verglichen, indem die Temperatur des Diaphragmas von 21°C bis etwa 315°C verändert wurde. Der Abstand zwischen dem Diaphragma und der Spule wurde sehr sorgfältig bei diesen verschiedenen Temperaturen konstant gehal-en.
Die ergebnisse dieser Versuche für eine einzige Spule als Brückenzweig sind in der nachstehenden Tabelle VII dargestellt.
Tabelle VII Frequenz 160 T-Windungen 50 T-Windungen in MHz # 38 SE Draht # 38 SE Draht # E0 - Volt # E0 - Volt 0,25 0,000 0,000 0,50 0,000 0,000 0,75 0,000 0,000 1,0 0,000 0,000 1,5 0,000 0,000 Das Diaphragma war in jedem Fall aus 0,0171 mm-starker Phosphorbronze hergestellt. Die Eingangsspannung der mit 160-windungen versehenen Spule betrug 8 Volt und bei der mit 50 Windungen versehenen Spule 3 Volt. eitere Versuche haben gezeigt, dß auch andere Diaphrag mamateialien jriit gleichen befriedigenden Ergebnissen verwendet werden können vorausgesetzt, daß das Material ein guter Leiter wie beispielsweise Silber, Kupfer, Illuminium, Phosphorbronze, Berillium-Kupfer oder Messing ist unc daß das Mateial nichtmagnetisch sein muß. Die Verschiebung der Ausgangsspannung war im wesentlichen gleich Null. Wenn somit die Drahtabmessung in der Spule erhöht wird, kann eine großere Temperaturempfindlichkeit erwartet werden. Daher muß die Drahtabmessung relativ klein gehalten werden, insbesondere bei hohen Temperaturschwankungen. Die ründe hierfür sind nicht vollständig erkennbar. Es kann jedoch von dieser Lehre Gebrauch gemacht werden, wo ### ein Minimum an der Null-Verschiebung bei Temperaturänderung erforderlich ist. Wenn ein Energiewandler mit zwei Spulen benutzt wird, die zwei Zweige einer Brücke bilden, ist die Drahtabmessung der Spulen von geringerer 3edeutung, um ein Minimum an Null-Punktverschiebung bei Änderung der Temperatur zu erreichen. Das ist vermutlich auf eine Kornpensationswirkung der einen Spule gegenüber der anderen Spule zurückzuführen.
Es kann weiterhin festgestellt werden, daß die Stärke des Diaphragmas eine wichtige iiolle bei der Verringerung der Temperaturempfindlichkeit des Energiewandlers spielt. Es wurde festgestellt, daß die Ausgangs-Null-Verschiedung bei Temperaturänderung geringer wird, wenn die DiaphragmaStärke sich der !!Hauttiefe11 nähert, oder diese etwas übersteigt, wobei die "Hauttiefe" für die bestimmten Eingangsfrequenzen zu b3eachten ist. Da die "Hauttiefe" eine Funktion des Widerstandswertes des Diaphragmamaterials bildest und da der Widerstand des Diaphragmas mit steigender Temperatur ansteigt, dingen die Wirbelströme in das Diaphragma bei höheren Temperaturen tiefer ein, so daß die Erhöhung des Widerstandes des Diaphragmas kompensiert wird.
Das Diaphragma für die besten Ergebnisse muß eine genügende Stärke aufweisen, um diese zusätzlichen Durchdringungen zu ermöglichen. Indessen r:1uß daran erinnert werden, was experimentell festgestellt wurde, daß die wirksame Durchdringung der Hauttiefe geringer als die errechnete Haut- oder Skintiefe ist.
Wievorstehend erläutert wurde, wird das Diaphragma um einen anwachsenden kleineren Abstand als das zusätzliche Anwachsen von Druck bei gleicher Temperatur abgelenkt. Der Betrag der Ablenkung mit jedem Anwachsen des Druckes ist eine Funktion de thermoelastischen Eigenschaften jedes speziellen Diaphragmamaterials. ei erhöhung der Temperatur erhöht sich der 'cherm. oelastische Koeffizent derart, daß die gleiche Erhöhung des Druckes eine erhöhte Abweichung des Diaphragmas bewirkt.
Für gewisse Zwecke ist es erwünscht, ein Diaphragma mit einem geschichteten Aufbau zu verwenden, wobei die äußere Schicht aus einem hochleitenden Vietall hergestellt wird, während die Unterlagschicht ein schlechterer Leiter sein kann, jedoch eine günstige Federwirkung in Bezug auf die Änderung der Temperatur aufweist. Ein solches Diaphragma enthält die guten leitenden Eigenschaften, wie bispielsweise die von Kupfer, Silber und dergleichen, die auf einer Unterlage aus rostfreiem Stahl oder ähnlichen nichtmagnetischen idaterialien aufgebracht sind, die einen geeigneten thermoelastischen Koeffizent für die Temperaturänderungen besitzen.
Die verbleibende Betrachtung betrifft die linearen Ausdehnungskoeffizenten der Gerätteile und des Diaphragmas. Eine gute Kompensation hierfür wird in einfacher Weise dadurch erzielt, daß eine geeignete Auswahl des Materials für die Energiewandlerteile getroffen wird, um eine passend ausgeglichene Ausdehnung zu erreichen. Das Gehäuse 12 wird vorzugsweise aus rostfreien Stahl oder aus einer anderen nichmagnetischen Leglerung hergestellt.
Fig. 13 zei eine grafische Darstellung der Ausgangsspannung eines Zweispulen-Energiewandlers gemäß der vorliegenden Erfindung, die in Abhängigkeit vom Druck bei verschiedenen Temperaturbereichen festgestellt wurde.
Hierbei ist zu erkennen, daß das Ergebnis des Energiewandlers kontinuierlich ist, und daß das diaphragma in gleichförmig auf den angelegten Druck anspricht. Die Abweichung der Ausgangsspannungen gegenüber dem Druck bei verschiedenen Temperaturen ist vernachlässigbar und i1. wesentlichen über den gesaniten untersuchten Druckbereich konstant.
Der Energiewandler gemäß der vorliegenden Erfindung wurde Temperaturen von -12,20C bis 315,50C unterworfen, ohne daß eine bedeutsame Verschiebung der Ausgangsspannung feststellbar war.
Obwohl die Frequenzen der Eingangssignale bei dem Energiewander so niedrig wie beispielsweise 10 EIz sein können und noch brauchbare Ausgangssignale erzeugen, sind Frequenzen, die größer als etwa 50 kHz wesentlich günstiger. Je niedriger die ßingangsfrequenz um so stärker muß das Diaphragma sein, um die erforderliche Hauttiefendurchdringung für die maximale Ausgangsspannung zu ermöglichen. Der Bereich von etwa 250 kHz bis etwa 2 Mhz kann als ein Optinluns für die praktische Ausführung betrachtet werden. Mit Eingangsfrequenzen innerhalb dieses Bereiches kann das Diaphragma eine so geringe Stärke wie beispielsweise 0,0254 bis 0,0508 jirn: aufweisen.
Eingangsfrequenzen im Bereich von 1 IiHz gestatten sehr schnelle Arbeitszeiten. Selbst bei der Schaltung für eine gleichgerichtete Ausgangsspannung nach Fig. 5 die ein Filter enthält, das die Ausgangswelligkeit auf weniger als 1 zu reduzieren gestattet, ist ein Ansprechen mit einefl-Frequenzbereich von 200 kHz leicht erreichbar.
Der Begrenzungsfaktor für die Frequenz nach oben ist normalerweise die Resonanzfrequenz des Diaphragmas selbst.
Diese ist selbst für den Bereich von niedrigen Drücken sehr hoch. Bei einem Energiewandler für 0,007 k/cm2, der geniäß der vorliegenden Erfindung gebaut wurde, ###-### und bei dem ein 0,076 mm-starkes rostfreies Diaphragma verwendet wurde, das einen Durchmesser von 19 mm aufweist, liegt die eigene Resonanzfrequenz bei etwa 3 kHz. Ein Energiewanler für 3,5 kg/cm2 der ein Diaphragma aus rostfreiem Stahl von 9,5 mm2 # und 0,1 mm Stärke besitzt, weist eine resonanzfrequenz von über 100 icEz auf. Energiewandler für höhere Frequenzanordnungnkönnen somit Resonanzen von proportional noch höheren werten aufweisen.
Der Energiewandler gemäß der vorliegenden erfindung der it veränderlichen wirbelstroßen arbeitet, weist eine niedrige eigene Ausgangsimpedanz auf. Typische Impedanzwerte für Energiewandler mit Luftspuien mit etwa 10 - 300 ohm in Abhängigkeit von der Eingangs frequenz und der Anzahl der tiindungen der Spule, konnten hergestellt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Energiewandler werden Ausgangssignale von beträchtlicher Größe erzeugt. Ein typischer Zweispulen-Energiewandler mit einer Ausgangsimpedanz im 3ereich von etwa 50 - 300 ohm ergibt Ausgangssignale von 40 - 100 millivolt je Volt der Spannung des Bingangssignals.
Die Linearität der Ausgangssignale mit der Änderung des Druckes isS ilt einem Minimum von Gesamtbewegungen des Diaphragmas sehr licht erreichbar und bei der vorliegenden Erfindung kann die niedrige Ausgangsspannung durch ein hohes Eingangssignal kompensiert werden; beispielsweise besitzen Energiewandler eine Ausgangsspannung von 10 - 20 Millivolt pro Volt eingangsspannung und weisen eine Abweichung von der binearität von nicht mehr-als etwa # 0,1 ,Cc auf> während Energiewandler, die eine Ausgangs spannung von 100 Millivolt pro Volt Eingangsspannung eine größere Nichtlinearität in der Größenanordnung von etwa 0,25 % bis etwa 1 ;b aufweisen können.
Die Energiewandler gemäß der vorliegenden Erfindung können sowohl als Energiewandler mit einer Spule oder mit zwei Spulen hergestellt werden und werden zu Messungen in Geschoßumgebungen einschließlich Prüfstand und Fluginstrumentat ion verwendet, wo schnelle und extreme Temperaturänderungen auftreten, ferner bei der nuklearen Reaktorinstrumentation wo intensive Gamma- und Neutronen-Strahlungen auftreten mit weiteren Temperaturbereichen, bei Überschallwindetunnel Modell-Versuchen wo sehr niedrige Drücke und sehr kleine Abmessungen benötigt werden, bei industriellen Prüfständen, wo extrem lange Zeitstabilitäten und Unempfindlichkeit bei Vibrationenes verlangt werden und wo Stoß- und Wellenschwingungen vorkommen.
Es kannfestgestellt werden, daß die vorstehende Erfindung die Ausnutzung von Wirbelströmen auch für andere Energiewandleranordnungen zu umfaßt. Ein solcher Energiewandler ist beispielsweise ein linear veränderlicher Differential-############## Transformator-Umwandler, der allgemein als ein LVDT- oder Shavits-Energiewandler bezeichnet wird.
Wie bekannt ist, benutzt dieser Energiewandler die Stellung einer Magnetmasse um die Ausgangsspannung durch Änderung der magnetischen kopplung zwischen den Spulen zu verändern.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann hierbei eine Masse aus leitenden nichtmagnetischem Material verwendet werden, uni die relativen Verluste der Spule zu verändern und daher die Ausgangs spannung des Energiewandlers als eine Funktion der stellung der Lasse zu verändern Die Fi. 14 - 17 zeigen andere Einergiewandleranordnungen, die nach der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt sind. Der Energiewandler nach Fig. 14 zeigt einen Metallbalgen 83, der eine mit ihm verbunden elektrisch leitende nichtmagnetische Platte 84 aufweist. Der 1Xetallbalgen ist in einem Teil eines gekapselten Raumes 85 angeordnet, der eine Spule 80 enthält. bin Jechsel in dem Druck innerhalb des Balgens und des Raumes 85 bewirken, daß sich die platte in Bezug auf die Spule 80 bewegt, wobei die Verluste dieser Spule als Funktion des Druckes verändert werden.
Fig. 15 zeigt einen anderen Energiewandler, worin ein elektrisch leitendes nichtmagnetisches Diaphragma 84 an einer Bourdon-Rohre 82 befestigt ist, die das Diaphragma 84 in Bezug auf eine Spule 80 als Funktion der änderung des Druckes zwischen dem inneren und dem äußeren des Rohres bewegt, wobei die Verluste in der Spule verändert werden.
Fig. 16 und 17 zeigen eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung bei der die elektrisch leitenden nicht-magnetischen Diaphragmen 86 und 87 an einem Torrosionsrohr 88 befestigt sind und in einer winkeldrehung in Bezug auf die Spulen 80 und 81 als Funktion der änderungen des Druckes geschwenkt werden, in der inneren Seite und der Außenseite der Rohre 88.
Die @ewangung der Diaphragmen 85 und 87 verändert die verluste in den Spulen 80 und 81. Die Spulen 80 und 81 sindin einer Brückenschaltung nach Fig. 3 - 5 geschaltet und ergeben eine Ausgangsspannung, die eine Funktion des Druckes ist, Es kann ferner festgestellt werden, daß die Energiewandleranordnung der vorliegenden Erfindung auch bei anderen Gerätne benuczt werden kann, wie beispielsweise bei einem Beschlennigungsmesser, einem Kraftmesser und dergielchen, worin eine Bewegung eines Diaphragmas mit bezug auf die Spule in eine elektrische Ausgangsspannung als Funktion der relativer Bewegung und der angelegten Kräfte übertragen wird.
Während vorstehend beschrieben wurde, was als ein bevrzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anzusehen ist, können Fachleute verschiedene Änderungen und Monofikationen durchführen, ohne die Lehre der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die nachstehenden Patentansprüche dienen dazu, einen Schutz für solche Änderungen und Tiono-Fikationen zu geben, die innerhalb des bereiches der vorliegenden Erfindung liegen.
Patentansprüche:

Claims

Patent ansprüche 1.
Energiewandler mit mindestens einer spule die mittels eines Wechselstromes erregbar ist und mit einem Glied, das in der Nähe dieser Spule angeordnet ist und die gegeneinander derart bewegbar sind, daß der Abstand zwischen Glied und Spule verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das gennannte Glied (220 aus nichtmagnetischem jedoch elektrisch leicendem Mateial hergestellt ist, so daß die wirksam Impedanz der genannten Spule (, 36, 38) in Abhängigkeit der genannten rela@iven Bewegung veränderbar ist.
3. Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekrennzeichnet, daß zwei der genannten Spulen (76, 38) an getrennte Zweige einer Brückenschaltung angeschlossen und das genannte Glied (22) zwischen den beiden Spulen (36, 38) angeordnet ist.

3. Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeihnet, daß eine druckdichte Kammer (12) vorgesehen ist, die von dem Glied (22) gebildet oder an der das Glied (22) befessigt ist und somit eine Wand dieser Kammer darstellt.
4. Energiewandler nah Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kairnner (12) aus nichcmagnetischem material hergestellt ist.
5. Energiewandler nach einem der ANsprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (22) als ein elastisches Diaphragma ausgebildet ist.
6, Energiewandler nach einem der Ansprüche lbis 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Gleid (2a) über einen Berelch leitend austgebildet sit, dessen Stärke nicht wasselich größer als die Triefe ist, in die Wirbelsoföme s.d einer Frequenz eindringen, die an die Spuien (@@,@@) angeieg wird.
7. Energiewandler nach einem der Ansprüche @ bis 5, @@@urch gekennzeichnet, daß die oder jede Sule von einem Kern (32, 34) getragen wird, der aus einem nichem@@gnetischen, dielekerischen @@terial hergeset@lt ist und die Permeabllität des Gliedes (22) nicht wesentlich eine Einhei@ bei T@mperaturen überstelgt, bei denen das Gerät angewendet wird.
8. Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurchw gekennzeichnet, dß das Glied (22) eine Decksckich @@ aus einem hochleitenden nichtmagnetischem Material an der Oberfläche die der Spule (36, 38) zugewandet ist, aufweist.

L e e r s e i t e