DE1449627A1 - Vorrichtung zum Abtasten der Relativlage von bewegten Teilen,insbesondere in datenverarbeitenden Geraeten - Google Patents

Description

OLIMPIA WEEKE AG 6. August 1968

- 3165 D - EP/Br/H3i65

Vorrichtung zum Abtasten dor Relativlage von bewegten Teilen« insbesondere in datenverarbeitenden Geräten

Di· Erfindung bezieht eich auf eine Vorrichtung zum Abtasten der Belatirlage bzw. -bewegung eine* beweglichen Teils gegenüber einem anderen Teil, insbesondere in datenverarbeitenden Geräten.

Ss sind bereits unter der Bezeichnung "Positionsgeber¹¹ verschiedene Vorrichtungen bekannt, «it denen Belativstellungen, Winkelpositionen usw. Ton bewegten Teilen in entsprechende elektrische Signale umgewandelt werden. Hiereu gehören z.B. Potentiometer, bei denen der Schleifer eine der Position entsprechende Spannung abgreift, was jedoch nur für langsame Bewegungen anwendbar ist und ausserdem zu hoher Abnutzung führt. Ausserdem sind induktive Geber bekannt, die einen Transformator mit verschiebbarem Kern haben, dessen Bewegung die Kopplung »wischen zwei Wicklungen und damit die Auegangsspannung verändert.

Ferner sind noch magnetische Geber bekannt, die jedoch dem Prinzip nach nur die Bewegung von bewegten Teilen, aber nicht deren Belativlage im Stillstand anzeigen können. Bei diesen Gebern wird dureh einen Magneten, der mit dem bewegten Teil verbunden ist,

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der Fluß in einem Abtastkopf verändert, und diese Flußänderungen induzieren in einer Wicklung eine Spannung, die das Vorbeibewegen des Magneten am Abtastkopf anzeigt. Es ist auch möglich, den Dauermagneten im magnetischen Kreis des Abtastkopfes vorzusehen und durch ein bewegtes Teil aus ferromagnetischest Material den magnetischen Widerstand des gesamten Kreises zu verändern, was ebenso su FLußänderungen und damit in der Wioklung indusierten Ausgangsspannungen führt« (DAS 1 062 969, fransösische Patentschrift 1 212 331, DP« 590 995, US-Patentsohrift 3 727 09I, IBM Diselosure Bulletin, August i960, Seite 35).

Schließlich ist es noch bekannt, durch Ändern des magnetischen Widerstandes eines mit einer Wicklung versehenen magnetischen Kreises die Induktivität der Wicklung zu steuern, wobei das bewegte Teil z.B. den Luftspalt des magnetischen Kreises geringer bsw. grosser macht. Aus der hierdurch veränderbaren Induktivität ergeben sich Veränderungen der induktiven Inpedanz, die sich durch Einprägen eines konstanten Stromes und Messen des Spannungsabfalls oder durch BrUckenschaltungen in elektrische Wechselstroasignale umwandeln lassen. Bei dieser Vorrichtung ist auch eine Anzeige der Position eines stillstehenden Teils möglich (DPS 390 995). Indlich sind noch die bekannten Transduktoren, d.h. magnetischen Verstärker, zu nennen. Sie enthalten einen Magnetkern mit gekrümmter Hagnetisierungskeanlinie und auf diesem Kern angeordnete

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Übertragerwicklungen. Die Permeabilität des Kerne läßt sich durch eine Vormagnetisierung mittels eines in einer besonderen Wicklung fließenden Gleichstromes steuern, wodurch die Signalübertragung zwischen den beiden Wicklungen des Übertragers verändert werden kann. Bei diesen magnetischen Verstärkern liegt jedoch das Steuersignal ..$n der Form eines Gleichstromsignalee an, also nicht in der Form einer mechanischen Bewegung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Abtasten mechanischer Bewegungen zu schaffen, die sich durch niedrigen Raumbedarf, geringen Aufwand sowie sichere und verschleißfeste Arbeitsweise auszeichnet. Sie muß in der Lage sein, die Rela$4.vlage, eines Teils gegenüber einem feststehenden Teil auch ie Stillstand oder.zumindest unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit abtasten zu können.

Die Erfindung geht also aus von einer Vorrichtung, bei der die magnetischen Eigenschaften eines Abtastkopfes durch die Relativbewegung eines am beweglichen Teil angeordneten Magneten zum Erzeugen entsprechender elektrischer Auegangesignale mittels einer Auewerteschaltung beeinflußt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern des Abtastkopfes aus einem Material mit stark gekrümmter Hystereseschleife besteht

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und daß die vom Magneten des beweglichen Teils in der einen Endstellung verursachte niedrige und in der anderen Endstellung verursachte hohe Magnetisierung des Kerns dadurch zum Erzeugen entsprechender elektrischer, die Relativlage des beweglichen Teils angebender Ausgangssignale ausgenutzt wird, daß der Sättigungszustand des Kerns durch Abfragesignale, die einer Abfragewicklung des Abtastkopfes zuführbar sind und entsprechende Ausgangseignale in einer Lesewicklung erzeugen, abgefragt wird.

Eine solche Vorrichtung hat den wesentlichen Vorteil, daß sie ein Abtasten der Eelativlage von stillstehenden Teilen zuläßt und daß die Ausgangssignale in ihrer Amplitude unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit des abzutastenden Teils sind. Hierdurch ist eine sehr sichere Auswertung der Positionskriterien möglich.

Vorzugsweise ist der Abtastkopf ein Ferritkern mit entsprechenden Wicklungen zur Abfrage des Sättigungszustandes, wobei das Magnetfeld des am beweglichen Teil befestigten Magneten, vorzugsweise eines Dauermagneten, abhängig von seiner Relativlage zum Ringkern diesen mehr oder weniger stark vormagnetieiert. Solche Ferritringkerne werden sehr preiswert für Ferritkernepeicher angeboten und haben eine sehr hohe Zuverlässigkeit. Sie sind sehr klein, eo daß sie an den tiberwachten Teilen kaum Raum beanspruchen. Das gleiche gilt für die Dauermagneten, die in erheblicher Stärke bei

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kleinen räumlichen Abmessungen herstellbar sind und eine verhältnismäßig gute Konstanz besitzen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des Beispiele eines bewegten Teils an einem Lochstreifenlocher näher erläutert. Is ist jedoch klar, daß die Relativbewegung praktisch jeden beliebigen Teils gegenüber einem feststehenden Teil mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgetastet werden kann.

In den Figuren zeigt

Fig· 1 den prinzipiellen Aufbau eines Lochstreifenlochers mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Magnetisierungskennlinie gekrümmter Torrn, anhand derer eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben wird,

Fig. 3 einen Iapulsplan, anhand dessen die Arbeitsweise einer zweiten AusfUhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben wird,

Fig. *t das Blockschaltbild einer weiteren Aueführungeform und

Fig· 5 eine Magnetisierungskennlinie mit im wesentlichen rechteckiger Form für die Erläuterung der Ausführungsform nach Fig. V.

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Bei dem In der Flg. 1 echematisch dargestellten Streifenlocher geht es darum, die Bewegung eines Lochstempels 2, der Ton einer bekannten Antriebs- und Auswahlvorrichtung 4, 5, 6, 7» 8, 9, 10 wahlweise zum Lochen abgesenkt wird oder nicht, zu überwachen. Das entsprechende elektrische Überwachungssignal soll dann mit dem Steuersignal für den Auswahlmechanismus verglichen werden, um eventuelle Ausfälle im Mechanismus anzeigen xu können.

Hierzu ist an dem zu überwachenden, beweglichen Teil 2 am oberen Ende ein Dauermagnet 11 angeordnet, der die Bewegung des beweglichen Teils 2 mitmacht. Über dem Magneten 11 i«t ein Ringkern 12 fest angeordnet und trägt zwei Abfragewicklungen 15, 16. Der Abstand zwischen dem Magneten 11 und dem Ringkern 12 ändert sich dementsprechend beim Auf- und Abgehen des Teils 2, so daß der Ringkern in der einen Endstellung nur von einem sehr schwachen Magnetfluß und in der anderen von einem stärkeren Magnetfluß durchsetzt wird.

Anhand der Tig. 2 soll nun die Funktion einer ersten Auswerteschaltung beschrieben werden. Sie zeigt die Magnetisierungskennlinie B= f (H) eines Bingkernes mit stark ausgeprägter Sättigung. Sie Breite der Hystereseschleife ist verhältnismäßig schmal und bei diesem Ausführungebeispiel ohne Bedeutung. Wird nun an die eine Wicklung, z.B. die Wicklung 16, eine Wechselspannung der Amplitude (Fig. 2) gelegt, so wird abhängig von der Stellung des Magaeten

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gegenüber, dent Ringkern 12 in der Wicklung 15 eine schwache oder starke Wechselspannung induziert. Befindet sich der Magnetkern 11 in der Endstellung größten Abstandes vom Kern 12, so ergibt sich z.B. der Arbeitepunkt Ik auf der Kennlinie, was zu einer hohen Ausgange.spannung führt. Ist der Magnet 11 jedoch in der Endstellung, die dem Magnetkern 12 am nächsten ist, so gilt der Arbeitspunkt auf der Magnetisierungskennlinie, so daß in der Wicklung 15 wegen der niedrigen Permeabilität des Kerns nur eine sehr niedrige Ausgangsspannung erzeugt ,wird. Die Amplitude der Ausgangsspannung ist also,ein Kriterium dafür, in welcher Stellung sich der Magnet und das zu überwachende Teil 2 gegenüber dem feststehenden Teil 3 befindet., ,

Wird ale Kern 12 ein solcher Ringkern benutzt, wie er für Ferritkernspeicher verwendet wird, also mit einer annähernd rechteckigen Hystereseschleife, so läßt sich die Speichereigenschaft des Kerns in vorteilhafter Weise ausnutzen. Hierdurch hat man die Möglichkeit, den Ringkern durch Annäherung des Dauermagneten 11 in eine bestimmte äußere Remanenzlage zu bringen und diese Lage durch einen RUckstellimpuls £.n entgegengesetzter Richtung festzustellen. Diese· Abfragen durch de*^ RJickstellimpule kann zu beliebiger Zeit und damit synchron zu jLrgendwjglchen anderen Vorgängen erfolgen. Die Arbeitsweise dieser zweiten. Au^f^hrungsform wird nachfolgend anhand der Fig. 3 erläutert. Zeile a) zeigt die Bewegung des Magneten 11 gegenüber dem Ringkern 12,

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Zeile b) den Eemanenzzußtand im Kern 12, Zeile c) die Rückstellimpulse ρ und Zeile d) das Ausgangssignal in der Lesewicklung 15·

Am Anfang befinde sich der Kern 12 in der negativen Remanenzlage (Zeile b). Sobald der Magnet 11 (Zeile a, Arbeitsperiode T₁) angenähert wird, kippt der Kern (zum Zeitpunkt t ) in die entgegengesetzte, positive Remanenzlage. Der nächste Rückstellimpuls ρ stellt den Kern in die negative Remanenzlage zurück (Zeitpunkt t,.). Nähert sich der Magnet 11 in der zweiten .Arbeitsperiode Tp nicht dem Ringkern 12, so wird dieser nicht aus der negativen in die positive Remanenzlage umgekippt. Der darauffolgende Rückstellimpuls ρ bleibt also unwirksam, weil sich der Kern bereits in der negativen Remanenzlage befindet.

Wie aus der Zeile d) hervorgeht, wird zum Zeitpunkt t₀ wegen des Umklappens des Kerns von der negativen in die positive Remanenzlage ein positives Ausgangssignal erzeugt, das jedoch nicht ausgewertet wird. Zum Zeitpunkt t wird jedoch durch das Rückstellen durch den Rückstellimpuls ρ ein negativer Nutzimpuls erzeugt, der als Kriterium dafür ausgewertet wird, daß der Magnet 11 dem Magnetkern 12 vorher in der Arbeitsperiode T^ angenähert wurde. Der am Ende der Periode T₂ auftretende Störimpuls s, der durch den Rücketellimpuls ρ bewirkt wurde, wird nicht ausgewertet, was ohne weiteres möglich ist, weil er eine sehr kurze Dauer hat.

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Dck· Betriebsweise eines weiteren Ausführungebeispiels soll nun

der Figuren k und 5 näher erläutert werden. Der im geringen gegenüber dem Magneten 11 des beweglichen Teils 2 angeord-

irn 18 trägt zwei Abfragewicklungen 19 und 20 entgegen- »tzten Wicklungssinnes sowie eine Lesewicklung 21. Die Abfrage-

19 und 20 sind über je eine UND-Schaltung 22 bzw. 23 BdLt dmm. zueinander komplementären Auegängen einer astabilen Kippataf· 24 verbunden· Die UND-Schaltungen 22 und 23 werden über Un Steuereingänge 22' bzw. 23* wechselweise mit den ebenfall· saatLmaaie-r- komplementären Ausgängen einer bistabilen Kippstufe maateaert, deren Eingang über einen Leseverstärker 26 und ein Yanögenngsglied 27 »n die Lesewicklung 21 angeschlossen ist.

Xm. Jasgasgezuatand befinde sich der Bingkern 18 in einem dem Ie■■!f irianpunkt 30 (Fig. 5) entsprechenden Remanenzzustand. Er «ird la diesem Arbeitepunkt über die UND-Schaltung 23 und die AWrage wicklung 19 mit Magnetiaierungsimpulsen der Amplitude 31 aamafm lilwßl Durch diese Impulse wird der Kern jeweils bis zum XBBBlinieepunkt 32 vormagnetisiert, welcher mit einem gewiesen Wrheiheltsabstand vor dem unteren Kennlinienknick 33, der Umschalt· Ile» liegt. Sobald der Dauermagnet 11 in die unmittelbare Nähe da* Mngkerns 18 gelangt, wird der Kern auf den Kennlinienpunkt 3*f ■in■■·<>■■> filiert. Dieser liegt zwar ebenfalls noch unterhalb des Famtl1nienknicka 33t *o daß hierdurch allein noch keine Umschaltung

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des Kerns erfolgt, aber die überlagerten Stromimpulse der Wicklung 19 bewirken eine Überschreitung des Kennlinienknicks 33» so daß der Ringkern durch die erste Impulsflanke umgeschaltet wird und danach im Kennlinienabschnitt 33 auf der oberen Hysteresegrenze pendelt. Wenn nun durch Niedergehen des beweglichen Teils 2 der Dauermagnet 11 von dem Kern entfernt wird, entfällt die Vormagnetisierung, und die Hagnetiaierungsimpulae in der Abfragewicklung 19 durchlaufen nun den Kennlinienabschnitt 36 auf der oberen Hystereaegrenze.

Beim Umschalten des Ringkerns 18 nach dem ersten Überschreiten des Kennlinienknicks 33 nr in der Leeβwicklung 21 ein Spannungsimpuls induziert worden, der über den Leseverstärker 26 über das Verzögerungsglied 27 mit der Verzögerungazeit T. an den Eingang der bistabilen Kippstufe 25 gelangt. Hierdurch schaltet die bistabile Kippstufe um und öffnet nun die UND-Schaltung 22 für die Impulse der astabilen Kippstufe Zh₁ die an die Abfragewicklung 20 gelangen. Die Wicklung ist gegenüber der Amplitude der astabilen Kippstufe 2k so dimensioniert, daß Magnetisierungsimpulse mit einer größeren Amplitude erzeugt werden, die ausreicht, den Magnetkern 18 wieder in die ursprüngliche, untere fiemanenzlage zurückzuschalten.

Als Ausgangssignal kann bei dieser beschriebenen Ausführungsform entweder einer der beiden gegensätzlich gepolten Leseimpulse am Ausgang 28 oder auch das Rücketellsignal am Ausgang 29 benutzt werden.

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Der bei der Rückstellung dee Kerne in die Lesewicklung induzierte Impuls gelangt ebenfalls über den Leseverstärker 26 und das Verzögerungsglied 27 an den Eingang der bistabilen Kippstufe 25 und schaltet diese um. Die RUckstellimpulse werden also nach der Verzögerungezeit T. zugunsten der umgekehrt gepolten Vorbereitungsimpulse abgeschaltet, womit der Auegangszustand der Schaltung wieder hergestellt ist.

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Claims (1)

1. OLYMPIA WERKE AG 6. August I968

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   Patentansprüche

   1) Vorrichtung zum Abtasten der Relativlage bzw. Bewegung eines bewegliehen Teils gegenüber einem anderen Teil, insbesondere in datenverarbeitenden Geräten, bei der die magnetischen Eigenschaften eines Abtastkopfes durch die Eelativbewegung eines am beweglichen Teil angeordneten Magneten zum Erzeugen entsprechender elektrischer Ausgangesignale mittels einer Auswerteschaltung beeinflußt werden,
   dadurch gekennzeichnet« daß

   der Kern (12, 18) des Abtastkopfes aus einem Material mit stark gekrümmter Hystereseschleife (Fig. 2, 5) besteht und daß die vom Magneten (11) des beweglichen Teils (2) in der einen Endstellung verursachte niedrige und in der anderen Endstellung verursachte hohe Magnetisierung des Kerns (12, 18) dadurch zum Erzeugen entsprechender elektrischer, die Relativlage des beweglichen Teils angebender Ausgangssignale ausgenutzt wird, daß der Sättigungszustand des Kerns durch Abfrageeignale, die einer Abfragewicklung (16| 19, 20) des Abtastkopfes zuführbar sind und entsprechende Ausgangssignale in einer Lesewicklung (15| 21) erzeugen, abgefragt wird.

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   2) Vorrichtung nach Aneprueh 1,
   dadurch gekennzeichnet! daß

   als Abtastkopf ein Ferritringkern (12, 18) mit entsprechenden Wicklungen (15, 16} 19, 20, 21) zur Abfrage des Sättigungszustandes vorgesehen ist und daß das Magnetfeld dee am beweglichen Teil (2) befestigten Magneten (11) abhängig von seiner Relativlage zum Ringkern (12, 18) diesen mehr oder weniger stark vormagnetisiert.

   3) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
   dadurch gekennzeichnet« daß

   der am beweglichen Teil (2) vorgesehene Magnet (11) ein Dauer-

   r magnet ist.

   k) Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch, g***"«».eichnet, daß

   als Kern (12, 18) des Abtastkopfes ein solcher mit nahezu rechteckiger Hystereseschleife (Fig. 5) vorgesehen ist.

   5) Vorrichtung nach Anspruch k,
   dadurch gekennzeichnet« daß

   die magnetische Stärke des Magneten (11) und die Endstellungen des bewegliehen Teils (2) so auf die Magnetisierungskurve des Abtastkopfes abgestimmt Bind, daß der Kern in der einen

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   Endstellung des beweglichen Teils nicht, aber in der anderen Endstellung über die Umschaltschwelle des Kerns aus der Buhelage in die entgegengesetzte Remanenzlage ummagnetisierbar ist, und daß diese etwaige Ummagnetisierung durch ein in Richtung der Buhelage wirkendes Rückstellsignal, das beim Umschalten-des Kerns in der Lesewicklung ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt) feststellbar ist*

   6) Vorrichtung nach Anspruch *f,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   der Abfragewicklung des Kerns (12, 18) Abfrageimpulse zufUhrbar sind, die beim Umklappen des Kerns in der Lesewicklung (15, 21) entsprechende Ausgangsimpulse erzeugen, und daß die magnetische Stärke des Magneten und die Endstellungen des beweglichen Teils (2) so auf die Magnetisierungskurve (Fig. 5) des Abtastkopf es abgestimmt sind, daß in der einen Endstellung des beweglichen Teils dieses Umklappen verhindert, in der anderen dagegen ermöglicht wird.

   7) Torrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

   die Abfrage des Sättigungszustandes des Kerns (12) in der Art der bekannten, steuerbaren Übertragung von Wechselspannungen zwischen zwei Übertragerwicklungen (I5j 16) bei Transduktoren

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   erfolgt, wobei jedoch die steuernde Qleichstromvormagnetieierung durch die räumliche Annäherung und Entfernung des am beweglichen Teil (2) befestigten Magneten (11) erfolgt.

   8) Vorrichtung nach Anepruoh 6,
   gekennzeichnet durch

   eine Auewerteschaltung, bestehend aus zwei UND-Schaltungen (22,23), deren Ausgänge zwei zueinander entgegengesetzt gepolte Abfragewicklungen (20, 19) auf dem Kern (18) des Abtastkopfes ansteuern, deren erste Eingänge von einem Impulsgenerator (2k) gespeist werden und deren zweite Eingänge (22', 23') mit den beiden gegenpoligen Ausgängen einer bistabilen Kippstufe (25) verbunden sind, und einem an eine Leeewicklung (21) des Kerns (18) angeschlossenen Leseverstärker (26), der über ein Verzögerungeglied (27) an den Zähleingang der bistabilen Kippstufe (23) angeschlossen ist, wobei die eine Abfragewicklung (19) gegenüber der Amplitude der Signale dee Impulsgenerator (Zk) so «gelegt ist, daß in der einen Endetellung dee beweglichen Teile (2) die Umechaltechwelle (33) dee Kerne nicht, aber in der anderen Endstellung überschritten wird, während die zweite Abfragewicklung (20) eo ausgelegt ist, daß die Umechaltechwelle unabhängig von der Stellung des beweglichen Teile iföerechritten wird.

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