DE1448959B1 - Kontaktlose Einrichtung zum Umsetzen eines Drehwinkels in eine elektrische Gr¦ße - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine kontaktlose Einrichtung kompensieren. Da die magnetfeldabhängigen Widerzum Umsetzen eines Drehwinkels in eine elektrische stände im Bereich kleiner Feldstärken eine nichtGröße mit einem entsprechend dem umzusetzenden lineare Kennlinie haben, kann zur Linearisierung des Drehwinkel drehbaren Magneten, der zwischen zwei Kennlinienverlaufs neben dem Steuermagnetfeld eine Polschuhen angeordnet ist und dessen Feld den Aus- 5 Vormagnetisierung vorgesehen werden,
gangsstrom einer auf magnetische Felder ansprechen- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter den Anordnung steuert. Vermeidung der Nachteile der bekannten Einrichtun-

Eine derartige Anordnung ist z.B. aus der deut- gen eine Einrichtung zum Umsetzen eines Dreh-

schen Patentschrift 898 328 bekannt. Die Einrich- winkeis in eine elektrische Größe zu schaffen, die bei

tung nach dieser Patentschrift, die zum Verstärken i° einfachem mechanischem Aufbau eine große Emp-

kleiner elektrischer Größen dient, enthält einen Dreh- findlichkeit aufweist und hohen Anforderungen an

magneten, der mit einem Meßwerk gekoppelt ist und die Genauigkeit genügt.

bei Drehen den Magnetfluß in einem mit einem Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch geWechselstrom gespeisten magnetischen Kreis und da- löst, daß zwei magnetische Kreise vorgesehen sind, mit dessen Wechselstromwiderstand verändert. Die 15 die von einem Dreischenkelkern gebildet sind, dessen Änderung des Wechselstromes ist ein Maß für den Mittelschenkel die Polschuhe des Drehmagneten entdem Meßwerk zugeführten Eingangsstrom. Eine der- hält, während die Außenschenkel in je einem Luftartige Anordnung ist wegen der Nichtlinearität der spalt mindestens je einen magnetfeldabhängigen Magnetisierung sehr ungenau und wird daher in Ver- Halbleiterwiderstand enthalten,
bindung mit einem Kompensationsgerät benutzt. Fer- 20 In einer solchen Anordnung wird nur ein Element ner sind ein Differentialtransformator, mehrere mit einer geringen trägen Masse und ohne Strom-Gleichrichter und ein Fünfschenkelkern erforderlich, Zuführungen bewegt. Da der magnetfeldabhängige was einen großen Aufwand bedeutet. Widerstand nicht in dem Luftspalt angeordnet ist, in

Aus der schweizerischen Patentschrift 272720 ist dem sich der Magnet bewegt, sondern in einem geeine Vorrichtung zum Übertragen von Drehwinkeln 25 sonderten Luftspalt, kann den Polschuhen eine solche bekannt, die mit Hallgeneratoren arbeitet. Der Hall- Form gegeben werden, daß eine optimale Beziehung generator ist hohlzylindrisch, und es befindet sich in zwischen dem Drehwinkel des drehbaren Magneten ihm ein magnetisierter zylindrischer Permanent- und dem Magnetfluß erhalten wird. Ferner können magnet, der mit der Drehachse verbunden ist. Eine die Luftspalte, in denen die magnetfeldabhängigen derartige Anordnung ist sehr aufwendig und dürfte 30 Widerstände angeordnet sind und der drehbare Mapraktisch keine Bedeutung haben. In derselben Pa- gnet angebracht ist, sehr klein gehalten werden. Ein tentschrift ist deshallb auch vorgeschlagen, den hohl- kleiner Luftspalt bedeutet aber eine hohe Empfindzylindrischen Hallgenerator durch vier Hallgenera- lichkeit der Meßanordnung. Dadurch, daß zwei matoren zu ersetzen, was aber immer noch einen großen gnetische Kreise vorgesehen sind, in denen je ein Aufwand bedeutet. 35 magnetfeldabhängiger Widerstand angebracht ist, die

Eine weitere Anordnung zum Messen eines Dreh- in einer Brückenschaltung angeordnet sind, wird eine

winkeis (französische Patentschrift 871586) besteht große Genauigkeit erzielt.

aus einem Topfkern, dessen mittlerer Schenkel ex- Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, zentrisch zu dem zylindrischen Mantel angeordnet daß auf dem den magnetischen Kreis bildenden ist, so daß sich zwischen diesem und dem mittleren 4° Eisenkern mindestens eine Wicklung vorgesehen ist, Schenkel ein örtlich verschieden starkes Magnetfeld die vom Ausgangsstrom der Brücke bzw. eines von befindet. Zwei diametral zu dem Mittelschenkel an- der Brücke gesteuerten Verstärkers durchflossen ist. geordnete Wismutspulen, die um die Achse des In vielen Fällen ist es zweckmäßig, daß den ma-Mittelschenkels drehbar sind, sind daher, je nach gnetischen Kreisen, in welchen die magnetfeldabhänihrer Stellung, verschieden starken Magnetfeldern 45 gigen Halbleiterwiderstände liegen, eine Gleichstromausgesetzt. Durch Drehen um die Mittelschenkel- magnetisierung oder eine Vormagnetisierung mittels achse ändern sich ihre Widerstände in entgegen- Permanentmagneten zugeführt ist, so daß die Widergesetzten Richtungen, so daß, wenn die Wismut- Standsänderung des Halbleiters im linearen Kennspiralen in eine Brücke geschaltet sind, diese ver- linienbereich erfolgt. Ein bevorzugtes Ausführungsstimmt wird und die Verstimmung mit einem GaI- 5° beispiel der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß vanometer gemessen werden kann. Nachteilig an die- Vormagnetisierungsspulen auf den Außenschenkeln ser Anordnung ist, daß große träge Massen bewegt angeordnet und derart gepolt sind, daß sich die Vorwerden müssen, daß ein großer Luftspalt vorhanden magnetisierungsflüsse im Mittelschenkel im wesentist und daß dadurch die Empfindlichkeit gering ist. liehen aufheben.

Eine weitere Anordnung zum Umsetzen eines 55 In Weiterbildung der Erfindung läßt sich die Ein-Drehwinkels in einen Strom besteht darin, daß auf richtung zur Umsetzung des Drehwinkels in eine der Drehachse ein Magnet sitzt, der sich zwischen elektrische Größe zum Aufbau eines einfachen Komden Polen eines magnetischen Kreises befindet. Der pensationsmeßgerätes, ζ. Β. Kompensationsschrei-Fluß in den magnetischen Kreis wird gemessen und bers, verwenden, bei dem ein Potentiometer mit verin einer Kompensationswicklung ein entgegengerich- 6° schleiß- und störungsanfälligen mechanischen Konteter Fluß erzeugt. takten vermieden ist. Hierzu ist vorgesehen, daß der

Schließlich sind auch magnetfeldabhängige Halb- Drehmagnet von einem Meßmotor angetrieben wird,

leiterwiderstände bekannt, die nach der deutschen der nach Art eines Kompensationsmeßgerätes aus

Auslegeschrift 1020107 in einer Meßeinrichtung zur einem Verstärker gespeist wird, an dessen Eingang

Bestimmung magnetischer Feldstärken eingesetzt 65 die Meßspannung in Serie mit der Spannung der

sind. Die magnetfeldabhängigen Widerstandselemente Brücke liegt, in welcher die magnetfeldabhängigen

sind in eine Brücke geschaltet und Hilfsmagnet- Halbleiterwiderstände enthalten sind. Dabei kann

feldern ausgesetzt, die das zu messende Magnetfeld zweckmäßig auch der den Motor speisende Verstär-

ker aus Brückenschaltungen mit Feldplattenwider- Eine Einrichtung mit größerer Meßempfindlichkeit

ständen bestehen. ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei befindet sich ein

In vielen Fällen ist bei Kompensationsschreibern Drehmagnet 21 zwischen zwei Polschuhen 22, 23, ein Zweiphasen-Wechselstrom-Meßmotor von Vor- die den mittleren Schenkel eines aus den Hälften 24, teil. In Weiterbildung der Erfindung läßt sich dies 5 25 bestehenden dreischenkligen Magnetkernes 26 derart verwirklichen, daß eine Phase des Wechsel- bilden. In den Luftspalten 27, 28 der Außenschenkel strom-Meßmotors aus einer konstanten Wechsel- des Kernes 26 sind die magnetfeldabhängigen Halbstromquelle, z.B. dem Lichtnetz, und die andere über leiterwiderstände 29, 30 angeordnet. Beiderseits der einen Wechselspannungsverstärker gespeist wird, Luftspalte 27, 28 befinden sich auf dem Kern 26 jedem ein Zerhacker vorgeschaltet ist, der aus der io weils die Vormagnetisierungsspulen 31, 32 bzw. 33, gleichen Wechselstromquelle gesteuert wird wie eine 34, denen die konstanten Stromquellen 35, 36 zuge-Motorphase. Derartige Zerhacker sind bekannt. Vor- ordnet sind. Durch diese symmetrische Anordnung teilhaft wird jedoch ein Zerhacker verwendet, der wird erreicht, daß bei gegensinniger Polung der ebenfalls mit magnetfeldabhängigen Widerständen Stromquellen 35 und 36 der Vormagnetisierungsfluß ausgerüstet ist. 15 im mittleren Schenkel sich aufhebt, was zu einer Ver-

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nach- größerung der Empfindlichkeit führt. Eine weitere

stehend an Hand der Zeichnungen erläutert. Vergrößerung der Empfindlichkeit ergibt sich da-

F i g. 1 zeigt eine Einrichtung zum Umsetzen des durch, daß die magnetfeldabhängigen Halbleiter-Drehwinkels oc in eine elektrische Größe, die gegebe- widerstände 29, 30, die sich gegensinnig (infolge der nenfalls fernangezeigt werden kann; 20 Vormagnetisierung) bei Veränderung des Flusses

Fig. 2 zeigt eine Verbesserung der Einrichtung ändern, so in den Brückenzweigen angeordnet wer-

nach Fig. 1, verbunden mit einer Anwendung als den können, daß sich eine doppelt so große Brücken-

Kompensationsmeßgerät; Verstimmung in dieser Anordnung gegenüber der

Fig. 3 zeigt die Schaltung eines Kompensations- Anordnung nach Fig. 1 ergibt.

meßgerätes mit wechselstromgespeistem Meßmotor 25 Bei der Einrichtung nach Fig. 2 besteht die Brük-

als Blockschaltbild; kenschalrung aus den magnetfeldabhängigen Wider-

F i g. 4 zeigt einen Kompensationsschreiber mit ständen 29 und 30 sowie den ohmschen Widerstän-

Einrichtung zur Drehwinkelmessung nach der Erfin- den 37 und 38. Zur Brückenspeisung dient die kon-

dung in perspektivischer Ansicht. stante Stromquelle 39.

In F i g. 1 wird der in eine elektrische Größe um- 30 Wie weiter durch F i g. 2 verdeutlicht werden soll, zusetzende Drehwinkel χ auf die Stellung eines klei- läßt sich mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ein nen Magneten, vorzugsweise Permanentmagneten 1 Kompensationsmeßgerät mit kontaktloser Meßbrücke übertragen, der zwischen den Polschuhen 2, 3 ange- schaffen. Hierzu ist der Drehmagnet 21 mechanisch ordnet ist, welche die Schenkel eines magnetischen durch den Meßmotor 40 verstellbar.
Eisenkernes bilden. Symmetrisch zwischen den Tei- 35 Der Meßmotor 40 wird aus einem Verstärker 41 len 2 und 3 des Eisenkernes befindet sich in dem gespeist, an dessen Eingangsklemmen eine Differenz-Luftspalt 4 ein magnetfeldabhängiger Halbleiter- spannung Δ U liegt, die aus der Gegenschaltung der widerstand 5, z. B. aus Indium-Antimonid. Derartige zugeführten Meßspannung U_M, beispielsweise der Halbleiterwiderstände sind an sich unter der Be- Spannung eines Thermoelementes, das an die Kiemzeichnung Feldplatten bekannt. Unter dem Einfluß 40 men 42, 43 angeschlossen ist, und der Spannung an eines veränderbaren Magnetfeldes läßt sich der der Brücke 29, 30, 37, 38 resultiert.
Widerstandswert dieser Halbleiter in weiten Grenzen Bei der Verwendung der Anordnung 2 als Drehverändern. Da die Widerstandsänderung in Abhän- winkelgeber (Motor M entfällt) können die Spulen 44 gigkeit von der Felderregung nicht über die gesamte und 45 auf dem Mittelschenkel des Kernes 26 in glei-Kennlinie linear ist, läßt sich durch Vormagnetisie- 45 eher Weise wie die Spulen 16 und 17 in Fig. 1 mit rung der Arbeitsbereich in den linearen Kennlinien- einem Kompensationsstrom gespeist werden, der an bereich verlegen. Hierzu dienen in dem in F i g. 1 den Klemmen (46, 47) zugeführt wird,
beschriebenen Ausführungsbeispiel die Spulen 6 Fig. 3 zeigt schematisch die Abwandlung der in und 7, die aus der konstanten Stromquelle 8 gespeist F i g. 2 gezeigten Schaltung eines Kompensationswerden. Die konstanten Stromquellen (8 und 9 in 50 meßgerätes mit einem Wechselstrom-Meßmotor 50. Fig. 1) sind in der Zeichnung als Batterien darge- Der Wechselstrom-Meßmotor 50 besitzt zwei Phastellt. Im praktischen Fall werden sie zweckmäßig senwicklungen 51, 52. Die Wicklung 52 wird dabei durch beispielsweise mit Zenerdioden und Transi- aus einer konstanten Wechselstromquelle, beispielsstoren stabilisierte Stromquellen ersetzt. Die kon- weise dem Lichtnetz, gespeist, während die Phasenstante Stromquelle 9 dient zur Speisung der Brücke 55 wicklung 51 vom Verstärker 53 gespeist wird. Die 10, die neben den ohmschen Widerständen 11,12,13 Eingangsspannung des Verstärkers 53 wird einem den magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstand 5 Zerhacker 54 entnommen, der die von der Brückenenthält, schaltung, bestehend aus den magnetfeldabhängigen

Entsprechend der Änderung des Drehwinkels α Widerständen 29, 30 und den ohmschen Widerstandes Drehmagneten 1 ändert sich die Feldstärke im 60 den 37, 38 gelieferte Gleichspannung in eine Wech-Luftspalt 4 und damit der Fluß durch den magnet- selspannung mit Netzfrequenz umwandelt,
feldabhängigen Halbleiterwiderstand 5. Die daraus re- Erwähnt sei noch, daß die in den Ausführungssultierende Spannung an der Anzeigediagonalen der beispielen verwendeten Verstärker ebenfalls mit ma-Brücke 10 wird im Verstärker 14 verstärkt. Mit dem gnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen bestückt Ausgangsstrom des Verstärkers 14 wird das Anzeige- 65 werden können, die in Brückenschaltungen liegen, instrument 15 gespeist, mit dem in Serie die Spulen 16 Aus einer derartigen Brücke können die Feldspulen und 17 geschaltet werden können, die ein das Feld der in der folgenden Brücke liegenden Halbleiter gedes Drehmagneten 1 kompensierendes Feld erzeugen. speist werden.

F i g. 4 zeigt als Ausführungsbeispiel die perspektivische Ansicht eines Kompensationsschreibers, der eine elektrische Schaltung gemäß Fig. 2 oder 3 besitzen kann. Die Schreibvorrichtung 59 und die Anzeigevorrichtung 60 sind mit einem Seil 63 verbunden. Das Seil 63 läuft über eine große Seilscheibe 62, in der gegebenenfalls auch eine Spannvorrichtung 64 für das Seil 63 angeordnet sein kann, sowie über die Umlenkrolle 61 und eine weitere Rolle 65, die vom Meßmotor 66, gegebenenfalls über ein Untersetzungsgetriebe, angetrieben wird. Der Meßmotor 66 kann auch, gegebenenfalls über ein Untersetzungsgetriebe, die Seilscheibe 62 direkt antreiben. Auf der Achse 67 der Seilscheibe 62 ist der Drehmagnet befestigt, der im Mittelschenkel des Magnetkernes 68 zwischen zwei Polschuhen, wie oben beschrieben, drehbar ist. In den Luftspalten der Außenschenkel des Magnetkernes 68 befinden sich, wie oben beschrieben, die magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände, die über eine Brückenschaltung und den Verstärker 69 den Meßmotor 66 steuern.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Kontaktlose Einrichtung zum Umsetzen eines Drehwinkels in eine elektrische Größe mit einem entsprechend dem umzusetzenden Drehwinkel drehbaren Magneten, der zwischen zwei Polschuhen angeordnet ist und dessen Feld den Ausgangsstrom einer auf magnetische Felder ansprechenden Anordnung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß zwei magnetische Kreise vorgesehen sind, die von einem Dreischenkelkern (26) gebildet sind, dessen Mittelschenkel die Polschuhe (20, 23) des Drehmagneten (21) enthält, während die Außenschenkel in je einem Luftspalt (27, 28) mindestens je einen magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstand (29, 30) enthalten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den magnetischen Kreisen (24, 25), in welchen die magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände (29, 30) liegen, eine Gleichstrommagnetisierung oder eine Vormagnetisierung mittels Permanentmagneten zugeführt ist, so daß die Widerstandsänderung des Halbleiters im linearen Kennlinienbereich erfolgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem die magnetischen Kreise (24, 25) bildenden Eisenkern (26) mindestens eine Wicklung vorgesehen ist, die vom Ausgangsstrom der Brücke bzw. eines von der Brücke gesteuerten Verstärkers durchflossen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Außenschenkeln (24, 25) Vormagnetisierungsspulen (31, 32, 33, 34) angeordnet und derart gepolt sind, daß sich die Vormagnetisierungsflüsse im Mittelschenkel im wesentlichen aufheben.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmagnet (1, 21) von einem Meßmotor (40) angetrieben wird, der nach Art eines Kompensationsmeßgerätes aus einem Verstärker (41) gespeist wird, an dessen Eingang die Meßspannung (U_M) in Serie mit der Spannung der Brücke liegt, in welcher die magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände enthalten sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Verstärker, der eine oder mehrere Brückenschaltungen mit magnetfeldabhängigen Widerständen enthält.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zweiphasen-Wechselstrom-Meßmotor (50) vorgesehen ist, dessen eine Phase (52) aus einer konstanten Wechselstromquelle, z. B. Lichtnetz, und die andere Phase (51) aus einem Wechselspannungsverstärker (53) gespeist wird, dem ein Zerhacker (54) mit magnetfeldabhängigen Widerständen für die Kompensationsspannung (A U) vorgeschaltet ist, der aus der gleichen Wechselstromquelle gesteuert wird, aus der eine Phase (52) des Motors (50) gespeist wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen