DE1523221A1

DE1523221A1 - Kontaktloses Geschwindigkeitsmesswerk

Info

Publication number: DE1523221A1
Application number: DE19661523221
Authority: DE
Inventors: Anthonie Walraven
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1965-09-10
Filing date: 1966-09-06
Publication date: 1969-04-10
Also published as: GB1103644A; DE1523221C3; US3513386A; BE686634A; SE310280B; DE1523221B2; NL6511809A; NL150915B

Description

PHN.10ο3

Dr. Herbert Scholl Patentanwalt '

Anmelder: N.Y. Philips' Gloeilampenfabriekeo Akt· NJa PHH- 1083

Anmeldung von« 5. Sept* 1966

"Kontaktloeee Geschwindigkeitsmesswerk."

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontaktlosen Messen von Geschwindigkeiten, insbesondere Winkelgeschwindigkeiten von sich drehenden «eilen, welche Vorrichtung aus einem magnetischen System it it einem Luftspalt besteht, wobei v/enigstens ein Teil des magnetischen Systems aus Mitteln besteht oder mit diesen versahen ist, durch die in dem luftspalt ein magnetisches Feld erzeugt wird, und wobei in dem. Luftspalt ein bewegliches, wenigstens teilweise aus elektrisch leitendem Material bestehendes Element angeordnet ist, (Jessen Gescnwindigkeit

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BAD ORfQfNAL

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bestimmt werden soll,

Solche Verrichtungen sind bekannt. Dabei ist :i ne bewegliche Meεscheibe :-ius nicht magnetischem, elektrisch leitendem Material in einem Luftsyalt zwischen zwei Teilen eines magnetischen Systems angeordnet. Mittels durch Wechselstrom geενeister Erregerspulen werden gemäss dem "Ferraris-Prinzip Wirbelatröme in der Messcheibe erzeugt. 3in durch diese Wirbelströme erzeugtes, magnetisches Feld induziert in den im Luftspalt angeordneten magnetischen Abnehmern einen Strom bzw. eine Spannung, dessen (deren) Amolitude bei Drohung der Scheibe ein !lass für die Winkelgeschwindigkeit ist.

Eine andere bekannte Vorrichtung ist eine zylindrische j'.usführungsicrm der genannten Verrichtung. Äs wird dabei ein bekannter Induktionsmotor benutzt, dessen Statorwicklungen mit V/echselstrom gespeist werden, so dass durch Drehung des Rotors in dem Luftspalt ein Wechsel!eld erzeugt wird, d~.s in einem magnetischen Abnehmer einen Wechselstrom bzw. eine Wechselspannung induziert. Die Aü.jlituäe dieses Wechselstroms bzw. dieser wechselspannung ist ein Mass für die Winkelgeschwindigkeit des Rotors.

Bei solchen Induktionssystemen besteht ein Nachtail darin, das3 die Beziehung zwischen der Winkelgeschwindigkeit und dem in den magnetischen Abnehmern induzierten Strom über einen grossen Messbereich nicht linear ist. "Sin weiterer Naciiteil ist der, dass durch JCnderungen des magnetischen Feldes in dem Luftspalt in-

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folge Speisespannung^ chwankungen oder anderer äusserer Einflüsse das Messergebnis beeinflusst wird. Zweck der Erfindung ist, ein solches magnetisches Feld und eine solche Anordnung magnetischer Sonden in dem Luftspalt zu schaffen, dass an erster Stelle ein erheblich besser linear mit der Geschwindigkeit veränderliches !«iessergebnis erhalten wird und ausserdem Speieespannungsschwankungen und Störungen grösstenteils beseitigt v/erden.

. Die Erfindung besteht darin, dass die Mittel zum Erzeugen des Magnetfeldes in dem Luftspalt derart ausgebildet sind, dass die magnetische Induktion zwischen einander gegenüber liegenden Wänden de.^c. Luftsnaltes in der Längsrichtung des Lufts;altes einen wechselnden, z.B. im.ulsförmigen oder sinusförmigen Verlauf hat, und in oder nahe dem Luftspalt mindestens zwei magnetische Sonden derart angeordnet sind, dass eine erste Sonde in einem bei Stillstand des beweglichen Elementes vorhandenen Maximum des wechselnden Magnetfeldes und eine zwiete Sonde an der Stelle eines bei Stillstand des beweglichen Elementes vorhandenen Kulldurchgan^es des wechselnden Magnetfeldes angeordnet sind, und weiter eine Vorrichtung vorgesehen ist, in der d-is Verhältnis zwischen den Signalen, die beim Bewegen des Elementes in den magnetischen Sonden erzeugt werden, bestimmt wird, welches Verhältnis ein Hase für die Geschwindigkeit ist.

Die Erfindung bezieht rieh auf Berechnungen des Feldes in dem Luftspalt, d<;.s beim Bewegen dee wenigstens teilweise -;ut elektrisch leitendem Katerial ber_i.er:enren ">/ev,<-.ri.] r-hen Kesfie] ementes entsteht.

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Eine solche Berechnung zeigt, dass beim Anbringen eines solchen magnetischen Belags suf einem Teil des magnetischen Systems, dass ein wechselndes, z.B. impuls- oder sinusförmig verlaufendes magnetisches Feld in dem Luftspalt entsteht, beim Bewegen des Messelementes an den Stellen in dem System, an denen bei Stillstand des Kesselementes eine maximale magnetische Induktion vorherrscht, und an den Stellen, an denen bei Stillstand des Meeselementes die magnetische Induktion Null ist magnetische Induktionen entstehen, deren Verhältnis ein gewünschtes Mass für die Geschwindigkeit des sich bewegenden Elementes ist.

Die Vorrichtungen nach der Erfindung lassen .eich in verschiedener Weise flach oder zylindrisch ausbilden.

In diesen Ausführungsformen kann das bewegliche Element, das wenigstens zu einem Teil, vorzugsweise atm dem Luftspalt zugewandten Teil aus elektrisch leitendem Material besteht, z.B. ganz aus Eisen oder aus magnetischem Material mit einer Oberflächenschicht aus elektrisch leitendem Material oder ganz aus elektrisch leitendem Material, z.B. in der zylindrischen Ausführungsform aus einem dünnwandigen Kupferzylinder, bestehen.

Eine Berechnung einer Konstellation, wobei das Feld in dem Luftspalt sinusförmig ist und das bewegliche Messelement ganz aus elektrisch gut leitendem Material, z.B. Kupfer, besteht, zeigt, dass an der Stell· der maximalen magnetischen Induktion beim Stillstand des

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Messelementes (B ) eine Induktion B₁ auftritt, die durch

die Formel B. « Β_Λ , *— gegeben wird, wobei w die

¹ ° 1 ♦ w²

normierte Geschwindigkeit ( w χ ) ist und wobei <-«j

die wirkliche Geschwindigkeit und Co. die kritische Geschwindigkeit der Vorrichtung bezeichnen, die als Wirbelstrombremse betrachtet wird. Ferner wurde gefunden, dass an der Stelle in dem Luftspalt, an der bei Stillstand des Messelementes keine magnetische Induktion vorherrscht, eine magnetische Induktion Bp bei Bewegung des Elementes

entsteht, die durch die Formel B₂ = B_Q . 75— gegeben

Nach der Erfindung werden an den beiden erwähnten Stellen magnetische Sonden, z.B. in Form von Hall-Elementen oder magnetische Verstärkersonden, angeordnet, wobei an den" betreffenden Ausgängen elektrische Signale auftreten, die zu den gegebenen Induktionswerten B. bzw. B₂ proportional sind. Das Verhältnis zwischen den beiden Signalen liefert das erwünschte Messergebnis, d.h. 2 = w.

Es wird auf diese Weise eine lineare Beziehung gefunden, während ausserdem der Faktor B als Mass für die Induktion des Feldes in dem Luftspalt bei Stillstand des beweglichen Elementes aus der Formel weggefallen ißt. Das Verhältnis zwischen den beiden Induktionen B₁ und B₂ kann in an sich

bekannten Vorrichtungen zum Messen des Verhältnisses zwischen elektrischen Signalen oder in näher zu beschreibender tfeise bestimmt werden, wobei der gleiche Steuerstrom

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fiir die magnetischen Sonden benutzt und die Grosse dieses Steuerstroms durch die in einer Sonde erzeug^· Mesespannung bestimmt wird.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung naher erläutert, in der

Fig. 1 ein erstes Prinzipschaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein zweites Beispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Vorrichtung nach Fig. 2,

Fig. 4 ein zweites Beispiel,

Fig. 5 das Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Bestimmung des Verhältnisses zwischen den magnetischen Induktionen,

Fig. 6 ein weiteres Beispiel der Anordnung nach Fig. 5 zeigen .

In der Errichtung nach Fig. 1 bilden die Teile 10 und 11 ein magnetisches System z.B. aus ferromagn·- tischem Material mit einem Luftspalt 12. Darin befindet sich ein bewegliches Messelement 15. Der Teil 10 dee Magnetsystems ist mit Mitteln 13 versehen, durch die in dem Luftspalt 12 ein sinusförmiges (14) oder imiiUlsförmiges (16) Magnetfeld erzeugt wird, -^i e Mittel 13 können z.B. durch einen an sich bekannten Magnetbelag oder eine Spulenanordnung gebildet werden. In der Praxis kann auch der Teil 11 in diesem Beispiel mit solchen Mitteln 13 versehen sein, so dass der Verlauf des Feldes weiter betont wird. 9098&5/0700

Das Messelement kann in dem Beispiel nach ^ig. 1 ganz aus elektrisch lietendem Material bestehen. In der Praxis kann auch der Teil 11 des Magnetsystems mit dem Messelement 15 zu einem Ganzen kombiniert werden. Der Teil 11 kann wegfallen und das Messelement 15 kann teilweise aus einem magnetischen Material und einem dem Teil 10 des Magnetsyeteme zugewandten Teil aus elektrisch leitendem Material zusammengebaut sein. Ee ist schliesslich noch möglich, dass das Element 15 ganz aus Eisen besteht, des sowohl magnetisch wie auch elektrisch leitend ist.

Wach der Erfindung werden an den Stellen, an denen bei Stillstand des Elementes 15 Maxima bzw. Nulldurchgänge des Magnetfeldes auftreten, magnetische Sonden wie Hall-Elemente oder magnetische Verstärkersonden 17, 1t, 19, 20 angeordnet. An der Stelle dieser Sonden werden bei Bewegung des Elementes 15 die erwähnten Komponenten B₁ bzw. Bp der magnetischen Induktion erzeugt.

In diesen Sonden werden die Induktionen in elektrische Signale umgewandelt, die in Form einer Spannung oder eines Stromes einer !^lesevorrichtung 21 zugeführt werden. In dieser Vorrichtung wird aus dem Verhältnis von Bp J B. die Geschwindigkeit des Messelementes bestimmt und angezeigt. In der Vorrichtung nach ^ig. 2 ist 32 ein Magnetsystem mit Polschuhen 32 und dem Luftspalt 33. Dieses Magnetsystem kann aus ferromagnetischem Material oder z.B. aus einem Dauermagnet bestehen. Die

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ücheibe 34 ist das Messelement, das hier um eine Aell· 35 drehbar ist und aue einem nicht magnetischen, elektrisch leitenden Material z.B. Aluminium besteht.

Das stillstehende Magnetfeld in dem Luftspalt 33 wird z.B. durch die Anordnung von einem oder mehreren Dauermagneten 36 oder von einer nicht weiter dargestellten, an sich bekannten Spulenanordnung geliefert, die aus einer Gleichstromquelle gespeist wird, oder wenn dae Magnetsystem 31 ein Dauermagnet ist, wird es von dem Magneten selber geliefert. Nach der Erfindung muee das Magnetfeld in dem Luftspalt 33 einen wechselnden, z.B. sinus- od*^_; iiriFulsförmigen Verlauf haben, was bedeutet, dass j^ehfe Fig. 3),.y$iae Stelle P in dem Luftspalt, an der die magnetische f^uktion ein Maximum B aufweist, mit einer Stelle Q₁ ba&w. Q₂ abwechseln soll, an der wenigstens bei Stillstand der Scheibe 34, keine magnetische Induktion herrscht. Dies kann in bekannter Weise durch passende Wahl der Gestalt des Materials der ^olschuhe oder durch eine bestimmte Anordnung der Magnetelemente oder durch eine geeignete Spulenanordnung erreicht werden.

Nach der Erfindung werden die magnetischen Sonden (37 und 36) durch Hall-Elemente oder durch magnetische Verstärkersonden an den Stellen P und Q₁ oder Q₂ angebracht. An den Auegängen dieser Sonden 37 und 38 erscheinen die erwünschten Signale für die erwähnten Feldkomponenten B₁ und B₂, von welchen Signalen in einer Vorrichtung 39 in bekannter Weise das Verhältnis B₂ t B₁ * w, also die Geschwindigkeit der Scheibe 34 bestimmt wird.

90 98 15/0700 Om&UAL inspected

•^ig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel der Vorrichtung nach der Erfindung, die ganz zylindirsch ausgebildet ist. Bezugsziffer 42 bezeichnet einen hohlen und 43 einen konzentrisch im ersteren angeordneten massiven Zylinder z.B. aus ferromagnetische^ Material. Die Zylinder 42 und 43 entsprechen den Teilen 10 bzw. 11 der Errichtung nach Fig. 1. Die Zylinder 42 und 43 echliessen einen Luftspalt* 44 ein, in dem ein zu den beiden Zylindern 42 und konzentrischer, drehbarer Zylinder 45 aus nicht magnetischem, elektrisch leitendem Material entsprechend dem Messelement 15 der *ig. 1 angeordnet ist Ähnlich wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 angegeben ist, kann der drehbare Zylinder 45 mit dem Zylinder 43 kombiniert werden.

Das Magnetfeld wird in dem Luftspalt 44 durch Dauermagneten 46 mit abwechselnden N- und S-x'olen erzeugt, die z.B. in den äusseren Zylinder 42 aufgenommen sind, oder durch eine nicht dargestellte, durch Gleichstrom gespeiste Spule. Bei dieser Anordnung wird in einfacher Weise direkt der erwünschte Feldverlauf erhalten, da an den Stellen P₁ bzw. P₂ beim Stillstand des Zylinders 45 eine maximale magnetische Feldinduktion (B₀) und an den Stellen P, bzw. P. ein« minimale Induktion (-B) entstehen. Ferner ist an den Stellen Q₁, Q₂, Q·, und Q. bei Stillstand des Zylinders 45 die magnetisch· Induktion Null. Durch Anbringung von mehreren Magneten oder Spulen längs des Umfanges des Zylinders 42 können mehrere entsprechende Punkte P und Q vorgesehen werden.

Es sei bemerkt, dass bei Verwendung von Spulen Anordnung eine XhnliclJceit mit dem normalen Induk-

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tionsraotorsystem aufweist, wobei der Unterschied jedoch der ist, dass die Speisung des Spulen des Stators durch Gleichstrom erfolgt.

Nach der Erfindung werden weiterhin die magnetischen Sonden 47 und 48 z.B. an den Stellen P₁ und Q₁ angebracht, wobei die betreffenden Ausgänge 49 und 50 dieser Sonden mit einer Vorrichtung 51 verbunden werden, in der das liessergebnis nach Teilung der beiden magnetischen Komponenten B. und Bp zur Verfugung steht.

Pig, 5 zeigt ein Schaltbild für das Verhältnis zwischen den elektrischen Signalen, das z.B. aus zwei Hall-Elementen erhalten wird, welches Verhältnis die Geschwindigkeit CJ andeutet, die somit in einfacher V/eise bestimmt werden kann.

Die Hall-Elemente S₁ und Sp werden durch einen Steuerstrom von einem Gleichstromdifferenzverstärker 52 gespeist. Mit dem (Jleichstromdif ferenzverstärker 52 mit einem Stromveratärkungsfaktor g sind die Sonden S₁ und Sp in Reihe geschaltet. Dieser differenzverstärker empfängt an einem Eingang eine Spannung e aus einer Bezugsspeisequelle und am anderen Eingang eine Spannung «₁ von der Sonde S₁.

Die in den Sonden erzeugten Spannungen e- und β« sind von den betreffenden Peldkomconenten B₁ und B« abhängig:

5₁ = L₁I₁B₁ und e₂ = K₂.1.B₂, wobei K₁ und K₂ Konstanten darstellen. Für den Ausgangsstrom des Differenzverstärker

52 glitt I * g¹ (e_Q _ S₁), wobei g· die Transkonduktanz des

Verst'irkers 52 bezeichnet. Durch die Formel e« « K₁₁LB₁

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wird der Strom I mitbestimmt.

β'^βο ^βο

1 + g'.K₁B₁ K₁-B₁ wobei angenommen wird, dase g'K^^ 1 ist.

Weiterhin ist e₂ = Kg.I.Bp und somit durch die vorste hende Formell

.₂ ._o .

K₁B₁ K₁ k_r

80 das« &2 ^ein direktes Mass für die Geschwindigkeit uj ist.

Diese Spannung kann an einem Instrument 53 mit z.B. einer in Winkelgeschwindigkeit ω geeichten Skala abgelesen werden.

Pig. 6 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Beispiels der Anordnung gemäss dem Prinzip nach Fig. 5 mit zwei Sonden S₁ und S₂.

V bezeichnet dabei eine Speisespannungsquelle für den Verstärker, der ausseräein die Bezugs spannung e₀ bedingt. T₁, T«_f T, und T. sind Verstärkerelemente z.B. Transistoren des p-n-p- und n-p-n-Ty^s.

R₁ , R₂, R, und R* sind einstellbare Widerstände für diese Traneistoren. In dieser Anordnung wird ähnlich, wie an Hand der Fig. 5 beschrieben ist, der Steuerstrom I durch die Sonden durch den Unterschied zwischen der Spannung e.j τοη der Sonde S₁ und einem Teil der Speisespannung V als Bezugsspannung bestimmt. In entsprechender Weise ist die Spannung βρ wieder direkt ein Mass für die Winkelgeschwindigkeit.

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Claims

PHN.1083 _12_ 152322Ί PATENTANSPHUECHE;

1. Vorrichtung zum kontaktlosen Messen von Geschwindigkeiten, insbesondere Winkelgeschwindigkeiten sich drehender Wellen, welche Vorrichtung aus einem magnetischen System mit einem Luftspalt besteht, wobei mindestens ein Teil des magnetischen ^stems aua Mitteln besteht oder mit Mitteln versehen ist, durch welche in de« Luftspalt ein magnetisches Feld erzeugt wird, wobei in dem Luftspalt ein bewegliches Element angeordnet ist, das wenigstens teilweise aus elektrisch leitendem Material besteht, und dessen Geschwindigkeit bestimmt werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (13) zum Erzeugen des Magnetfeldes in dem Luftspalt (12) derart ausgebildet sind, dass die magnetische Induktion zwischen einander gegenüber liegenden Wänden des Luftspaltes (12) in der Längsrichtung des Luftspaltes (12) einen wechselnden, z.B. impule-(i6) oder sinusförmigen (H) Verlauf hat, und in oder nahe dem Luftspalt (12) mindestens zwei (17, 18 bzw. 19, 20) magnetische Sonden derart angeordnet sind, dass eine erste Sonde (17, bzw. 19) in einem bei Stillstand des beweglichen Elementes (15) vorhandenen Maximum des wechselnden Magnetfeldes und eine" zweite Sende (16 bzw. 20) an der Stelle, einee bei Stillstand des beweglichen Elementes (15) vorhandenen Nulldurchganges des wechselnden Magnetfeldes angeordnet sind und weiter eine Vorrichtung (21) vorgesehen ist, in der das Verhältnis zwischen den Signalen, die bei der Bewegung des beweglichen Elementes (15) in den mag-

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netischen Sonden (17, 1ö, 19, 20) erzeugt v/erden, bestimmt wird, welches Verhältnis ein Maas für die Geschwindigkeit ist.

2. Vorrichtung nach Ansoruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (21) zum Bestimmen des Verhältnisses zwischen den Signalen, die beim Bewegen des beweglichen Messelementes (15) in den magnetischen Sonden (17 ...20) erzeugt werden, aus einem differenzverstärker (52) und einem Anzeigeinstrument (53) besteht, dass an den Eingängen des Differenzeverstärkers (52) eine Bezugsspannungsquelle (e_Q) und ein Ausgang siner ersten magnetischen Sonde (z.B. 17) angebracht sind und dass die Grosse des Auegangsstromes des Differenzverstärkers (52) durch den Unterschied zwischen der Bezugsspannung (e^) und der Messpannung (e.,) der ersten magnetischen Sonde (z.B. 17) bestimmt wird, welcher Auegangssirom (I) als Steuerstrom für die m-ignetisehen Sonden (z.B. 17 und 18) dient, wodurch die Ausgangsspannung (e~) der zweiten magnetischen Sonde (z.B. 1j) die den Anzeigeinstrument (53) zugeführt wird, ein direktes Mass für das erwähnte Verhältnis ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Sonden durch Hall-Elemente gebildet werden.

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