DE1448959C - Kontaktlose Einrichtung zum Umsetzen eines Drehwinkels in eine elektrische Größe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine 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.

Eine derartige Anordnung ist z. B. aus der deutschen Patentschrift 898 328 bekannt. Die Einrichtung nach dieser Patentschrift, die zum Verstärken kleiner elektrischer Größen dient, enthält einen Drehmagneten, der mit einem Meßwerk gekoppelt ist und bei Drehen den Magnetfluß in einem mit einem Wechselstrom gespeisten magnetischen Kreis und damit dessen Wechselstromwiderstand verändert. Die Änderung des Wechselstromes ist ein Maß für den dem Meßwerk zugeführten Eingangsstrom. Eine derartige Anordnung ist wegen der Nichtlinearität der Magnetisierung sehr ungenau und wird daher in Verbindung mit einem Kompensationsgerät benutzt. Ferner sind ein Differentialtransformator, mehrere Gleichrichter und ein Fünfschenkelkern erforderlich, was einen großen Aufwand bedeutet.

Aus der schweizerischen Patentschrift 272 720 ist eine Vorrichtung zum Übertragen von Drehwinkeln bekannt, die mit Hallgeneratoren arbeitet. Der Hallgenerator ist hohlzylindrisch, und es befindet sich in ihm ein magnetisierter zylindrischer Permanentmagnet, der mit der Drehachse verbunden ist. Eine derartige Anordnung ist sehr aufwendig und dürfte praktisch' keine Bedeutung haben. In derselben Patentschrift ist deshallb auch vorgeschlagen, den hohlzylindrischen Hallgenerator durch vier Hallgeneratoren zu ersetzen, was aber immer noch einen großen Aufwand bedeutet.

Eine weitere Anordnung zum Messen eines Drehwinkels (französische Patentschrift 871586) besteht aus einem Topfkern, dessen mittlerer Schenkel exzentrisch zu dem zylindrischen Mantel angeordnet ist, so daß sich zwischen diesem und dem mittleren Schenkel ein örtlich verschieden starkes Magnetfeld befindet. Zwei diametral zu dem Mittelschenkel angeordnete Wismutspulen, die um die Achse des Mittelschenkels drehbar sind, sind daher, je nach ihrer Stellung, verschieden starken Magnetfeldern ausgesetzt. Durch Drehen um die Mittelschenkelachse ändern sich ihre Widerstände in entgegengesetzten Richtungen, so daß, wenn die Wismutspiralen in eine Brücke geschaltet sind, diese verstimmt wird und die Verstimmung mit einem Galvanometer gemessen werden kann. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß große träge Massen bewegt werden müssen, daß ein großer Luftspalt vorhanden ist und daß dadurch die Empfindlichkeit gering ist.

Eine weitere Anordnung zum Umsetzen eines Drehwinkels in einen Strom besteht darin, daß auf der Drehachse ein Magnet sitzt, der sich zwischen den Polen eines magnetischen Kreises befindet. Der Fluß in den magnetischen Kreis wird gemessen und in einer Kompensationswicklung ein entgegengerichteter Fluß erzeugt.

Schließlich sind auch magnetfeldabhängige HaIb- leiterwiderstände bekannt, die nach der deutschen Auslegeschrift 1020107 in einer Meßeinrichtung zur Bestimmung magnetischer Feldstärken eingesetzt sind. Die magnetfeldabhängigen Widerslandselemente sind in eine Brücke geschaltet und Hilfsmagnetfeldern ausgesetzt, die das zu messende Magnetfeld kompensieren. Da die magnetfeldabhängigen Widerstände im Bereich kleiner Feldstärken eine nichtlineare Kennlinie haben, kann zur Linearisierung des Kennlinienverlaufs neben dem Steuermagnetfeld eine Vormagnetisierung vorgesehen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Einrichtungen eine Einrichtung zum Umsetzen eines Drehwinkels in eine elektrische Größe zu schaffen, die bei

i'o einfachem mechanischem Aufbau eine große Emp-. findlichkeit aufweist und hohen Anforderungen an die Genauigkeit genügt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei magnetische Kreise vorgesehen sind* die von einem Dreischenkelkern gebildet sind, dessen Mittelschenkel die Polschuhe des Drehmagneten enthält, während die Außenschenkel in je einem Luftspalt mindestens · je einen magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstand enthalten.

.,In einer solchen Anordnung wird nur ein Element mit einer geringen trägen Masse und ohne Stromzuführungen bewegt. Da der magnetfeldabhängige Widerstand nicht in dem Luftspalt angeordnet ist, in dem sich der Magnet bewegt, sondern in einem gesonderten Luftspalt, kann den Polschuhen eine solche Form gegeben werden, daß eine optimale Beziehung zwischen dem Drehwinkel des drehbaren Magneten und dem Magnetfluß erhalten wird. Ferner können die Luftspalte, in denen die magnetfeldabhängigen Widerstände angeordnet sind und der drehbare Magnet angebracht ist. sehr klein gehalten werden. Ein kleiner Luftspalt bedeutet aber eine hohe Empfindlichkeit der Meßanordnung. Dadurch, daß zwei magnetische Kreise vorgesehen sind, in denen je ein magnetfeldabhängiger Widerstand angebracht ist, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind, wird eine große Genauigkeit erzielt.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß auf dem den magnetischen Kreis bildenden Eisenkern mindestens eine Wicklung vorgesehen ist, die vom Ausgangsstrom der Brücke bzw. eines von der Brücke gesteuerten Verstärkers durchflossen ist. In vielen Fällen ist es zweckmäßig, daß den magnetischen Kreisen, in welchen die magnetfeldabhängigen.Halbleiterwiderstände liegen, eine Gleichstrommagnetisierung oder eine Vormagnetisierung mittels Permanentmagneten zugeführt ist, so daß die-Wider-Standsänderung des Halbleiters im linearen Kennlinienbereich erfolgt. Ein bevorzugtes Ausführungs-

^⁰ beispiel der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß Vormagnetisierungsspulen auf den Außenschenkeln angeordnet und derart gepolt sind, daß sich die Vormagnetisierungsflüsse im Mittelschenkel im wesentfe> liehen aufheben.

In Weiterbildung der Erfindung läßt sich die Einrichtung zur Umsetzung des Drehwinkels in eine elektrische Größe zum Aufbau eines einfachen Kompensaiionsmeßgerätes, ζ. Β. Kompensationsschreibers, verwenden, bei dem ein Potentiometer mit verschleiß- und störungsanfälligen mechanischen Kontakten vermieden ist. Hierzu ist vorgesehen, daß der Drehmagnet von einem Meßmotor angetrieben ,.wird, der nach Art eines Kompensationsmeßgerätes aus einem Verstärker gespeist wird, an dessen Eingang die Meßspannung in Serie mit der Spannung der Brücke liegt, in welcher die magnctfeldabhüngigen Halbleiterwiderstände enthalten sind. Dabei kann zweckmäßig auch der den Motor speisende Verstär-

ker aus Brückenschaltungen mit Feldplatlenwidersiiindcn bestehen.

In vielen Fällen ist bei Kompensationsschreibern ein Zweiphasen-Wechselstrom-Mcßmotor von Vorteil. In Weiterbildung der Erfindung läßt sich dies derart verwirklichen, daß eine Phase des Wechselstrom-Meßmotors aus einer konstanten Wechselstror.Hjuelle. z. B. dem Lichtnetz, und die andere über einen Wechselspannungsverstärker gespeist wird, dem ein Zerhacker vorgeschaltet ist, der aus der gleichen Wechselstroniquelle gesteuert wird wie eine Motorphase. Derartige Zerhacker sind bekannt. Vorteilhaft wird jedoch ein Zerhacker verwendet, der ebenfalls mit magnetfeldabhängigen Widerständen ausgerüstet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend an Hand der Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zum Umsetzen des Drehwinkels λ in eine elektrische Größe, die gegebenenfalls fernangezeigt werden kann;

F i g. 2 zeigt eine Verbesserung der Einrichtung nach Fig. 1, verbunden mit einer Anwendung als ij Kompensationsmeßgerät;

Fig. 3 zeigt die Schaltung eines Kompensationsmeßgeiätes mit wechselstromgespeistem Meßmotor als Blockschaltbild;

F i g. 4 zeigt einen Kompensationssehreiber mit Einrichtung zur Drehwinkelmessung nach der Erfindung in perspektivischer Ansicht.

In Fig. 1 wird der in eine elektrische Größe umzusetzende Drehwinkel -x auf die Stellung eines kleinen Magneten, vorzugsweise Permanentmagneten 1 übertragen, der zwischen den Polschuhen 2, 3 angeordnet ist, welche die Schenkel eines magnetischen Eisenkernes bilden. Symmetrisch zwischen den Teilen 2 und 3 des Eisenkernes befindet sich in dem Luftspalt 4 ein magnetfeldabhängiger Halbleiterwiderstand 5, z. B. aus Indium-Antimonid. Derartige Halbleiterwiderstände sind an sich unter der Bezeichnung Feldplatten bekannt. Unter dem Einfluß eines veränderbaren Magnetfeldes läßt sich der Widerstandswert dieser Halbleiter in'weiten Grenzen verändern. Da die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Felderregung nicht über die gesamte Kennlinie linear ist, läßt sich durch Vormagnetisierung der Arbeitsbereich in den linearen Kennlinienbereich verlegen. Hierzu dienen in dem in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel' die Spulen 6 und 7, die aus der konstanten Stromquelle 8 gespeist · werden. Die konstanten Stromquellen (8 und 9 in Fig. 1) sind in der Zeichnung als Batterien darge-. stellt. Im praktischen Fall werden sie zweckmäßig durch beispielsweise mit Zenerdioden und Transi-,,, stören stabilisierte Stromquellen ersetzt. Die konstante Stromquelle 9 dient zur Speisung der Brücke 10, die neben den ohmschen Widerständen 11, 12, 13 den magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstand 5 enthält.

Entsprechend der Änderung des Drehwinkels \ des Drehmagneten 1 ändert sich die Feldstärke im Luftspalt 4 und damit der Fluß durch den magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstand 5. Die daraus resultierende Spannung an der Anzeigediagonaleri der Brücke 10 wird im Verstärker 14 verstärkt. Mit dem Ausgangsstrom des Verstärkers 14 wird das Anzeigeinstrument 15 gespeist, mit dem in Serie die Spulen 16 und 17 geschaltet werden können, die ein das Feld des Drehmagneten 1 kompensierendes Feld erzeugen.

Eine Einrichtung mit größerer Meßemplindliehkeit ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei befindet sich ein Drehmagnet 21 zwischen zwei Polschuhen 22, 23. die den mittleren Schenkel eines aus den Hälften 24, 25 bestehenden dreischenkligen Magnetkernes 26 bilden. In den Luftspalten 27, 28 der Außenschenkel des Kernes 26 sind die magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände 29, 30 angeordnet. Beiderseits der Luftspalte 27, 28 befinden sich auf dem Kern 26 jeweils die Vormagnetisierungsspulen 31, 32 bzw. 33, 34, denen die konstanten Stromquellen 35, 36 zuger ordnet sind. Durch diese symmetrische Anordnung wird erreicht, daß bei gegensinniger Polung der Stromquellen 35 und 36 der Vorinagnetisierungstluß im mittleren Schenkel sich aufhebt, was zu einer Vergrößerung der Empfindlichkeit führt. Eine weitere Vergrößerung der Empfindlichkeit ergibt sich dadurch, daß die magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderstände 29, 30, die sich gegensinnig (infolge'der Vormagnetisierung) bei Veränderung des Flusses ändern, so in den Brückenzweigen angeordnet werden können, daß sich eine doppelt so große Brückenverstimmung in dieser Anordnung gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 ergibt. .

Bei der Einrichtung nach Fig. 2 besteht die Brükkenschaltung aus den magnetfeldabhängigen Widerständen 29 und 30 sowie den ohmschen Widerständen 37 und 38. Zur Brückenspeisung dient die konstante Stromquelle 39. ■ ■ '

Wie weiter durch F i g. 2 verdeutlicht werden soll, läßt sich mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ein Kompensationsmeßgerät mit kontaktloser Meßbrücke schaffen. Hierzu ist der Drehmagnet 21 mechanisch durch den Meßmotor 40 verstellbar.

Der Meßmotor 40 wird aus einem Verstärker 41 gespeist, an dessen Eingangsklemmen eine Differenzspannung I U liegt, die aus der Gegenschaltung der zugeführten Meßspannung U_M, beispielsweise der Spannung eines Thermoelementes, das an die Klemmen 42, 43 angeschlossen ist. und. der Spannung an der Brücke 29, 30, 37, 38 resultiert: ' '^:

Bei der Verwendung der Anordnung 2 als Drehwinkelgeber (Motor M entfällt) können die Spulen 44 und 45 auf dem Mittelschenkel des Kernes 26 in gleicher Weise wie die Spulen 16 und 17 in Fig. 1 mit einem Kompensationsstrom gespeist werden..der an den Klemmen (46, 47) zugeführt wird.

Fig. 3 zeigt schematisch die Abwandlung der in Fig. 2 gezeigten Schaltung eines Kompensationsmeßgerätes mit einem Wechselstrom-Meßmotor 50. Der W'echselstrom-Meßmotor 50 besitzt zwei Phasenwicklungen 51, 52. Die Wicklung 52 wird dabei aus einer konstanten Wechselstromquelle, beispielsweise dem Lichtnetz, gespeist, während die Phasenwicklurig 51 vom Verstärker 53 gespeist wird. Die Eingangsspannung des Verstärkers 53 wird einem Zerhacker 54 entnommen, der die von der Brückenschaltung, bestehend aus den magnetfeldabhängigen Widerständen 29, 30 und den ohmschen Widerständen 37, 38 gelieferte Gleichspannung in eine Wechselspannung mit Netzfrequenz umwandelt.

Erwähnt sei noch, daß die in den Ausführungsbeispielen verwendeten Verstärker ebenfalls mit magnetfeldabhängigen Halbleiterwiderständen bestückt werden können, die in Brückenschaltungen liegen. Aus einer derartigen Brücke können die Feldspulen der in der folgenden Brücke liegenden Halbleiter gespeist werden.

Fig. 4 zeigt als Ausführungsbeispiel die perspektivische Ansicht eines Kompensationsschreibers, der eine elektrische Schaltung gemäß F i g. 2 oder 3 besitzen kann. Die Schreibvorrichtung 59 und die Anzeigevorrichtung 60 sind mit einem Seil 63 vcrbunden. 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 Unlersctzungsgetriebe, 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 Polschuhcn. wie oben beschrieben, drehbar ist. In den Luftspalten der Außenschenkel des Magnetkernes 68 befinden sich, wie oben beschrieben, die magnctfeldabhängigen 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 as 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 ge-· kennzeichnet, 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 Außenschcnkel in je einem Luftspalt (27. 28) mindestens je einen magnetfeldabhängigcn Halbleiterwiderstand (29, 30) enthalten.

2. Hinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den magnetischen Kreisen (24, 25). in welchen die magnetfcldabhängigen Halb- 4" leiterwiderstände (29, 30) liegen, eine Gleichslrommaimeiisierung 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)· Vorrnagnetisierungsspulen (31, 32, 33, 34) angeordner' 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 Kompensationsmeßgeräles 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 Brückenschaltungcn 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 Wechselspannungsvcrstärker (53) gespeist wird, dem ein Zerhacker (54) mit magnetfcldabhängigen Widerständen für die Kompensationsspannung (.1(7) vorgeschaltet ist. der au* der gleichen Wechselstromquelle gesteuert wird, aus der eine Phase (52) des Motors (50) gespeist wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen