DE1623746A1

DE1623746A1 - Mechanisch-elektrischer Messgroessenumformer

Info

Publication number: DE1623746A1
Application number: DE19671623746
Authority: DE
Inventors: Church Peter Kingsley
Original assignee: Kaman Aircraft Corp
Current assignee: Kaman Aircraft Corp
Priority date: 1966-01-27
Filing date: 1967-01-25
Publication date: 1971-05-06
Also published as: US3484678A

Description

Mechanisch-elektrischer Meßgrößenumformer (Zusatz zu Patent '.,.(P-I* 48 849.4) )

Das ilauptpatent betrifft einen mechanisch-elektrischen i'ießgroßenumformer mit einer durch Wechselstrom erregbaren Spule und mit einem in der Nahe dieser Spule relativ zu dieser verschiebbaren Glied, dessen Bewegung in eine elektrische Größe umgewandelt werden soll und das aus einem nichtmagnetisohen, elektrisch leitendem Material besteht.

Es sind bereits mechanisch-elektrische Meßgrößenumformer bekannt, bei denen das Glied, dessen Bewegung in eine elektrische Größe umgeformt werden soll, wenigstens teilweise aus magnetischem Material besteht» Insbesondere ist bereits ein Meßgrößenumformer bekannt, bei dem gleichachsig zu einer mit Wechselstrom erregbaren Primärspule Neue Unterlagen (Art./§1 Abs.2Nr. 1 Satz t des Änderungen v. 4. ?,

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirfsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

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Oppenauer Büro! PATENTANWALT DR. REIMHOLD SCHMIDT

BAD ORlGWAL

zwei Sekundärspulen angeordnet und das Glied innerhalb der Spulen in Achsrichtung derselben verschiebbar ist. Zur Erzeugung eines der Verschiebung des aus magnetischem Material bestehenden Gliedes proportionalen elektrischen Signals "wird dabei das Prinzip ausgenutzt, daß sich die magnetische Kupplung zwischen Primär- und Sekundärspulen ändert, wenn das Glied sich zwischen Primär- und Sekundärspulen bewegt. Die bekannten Meßgrößenumformer arbeiten also nur bei unterhalb der Curie-Temperatur des magnetischen Materials liegenden Temperaturen einwandfreie

Die Erfindung betrifft nun eine Weiterbildung des

^ Meßgrößenumformers der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in an sich bekannter Weise gleichachsig zu der mit Wechselstrom erregbaren Primärspule zwei Sekundärspulen angeordnet und das Glied innerhalb der Spulen in Achsrichtung derselben verschiebbar ist, das Glied einen aus dielektrischem Material bestehenden Kern aufweist, der von einer Hülse aus einem nichtmagnetischen, elektrisch leitenden Material umschlossen ist und die Sekundärspulen derart angeordnet sind, daß ihre Impedanz im wesentlJdien gleich groß ist, wenn sich das Glied in einer vorgegebenen Null-Lage befindet.

Beim Meßgrößenuraformer nach der Erfindung ändert

" sieh bei Verschiebung des aus nichtmagnetischem, elektrisch leitendem Material bestehenden Gliedes aufgrund der sich ändernden Wirbelstromverluste in nichtmagnetischen, elektrisch leitenden Material die Impedanz der Sekundärspulen und daher das Ausgangssignal der Sekundärspulen, Da das Glied, dessen Bewegung in eine elektrische Größe umgewandelt werden soll, aus nichtmagnetisehera, elektrisch leitendem Material besteht, arbeitet der Meßgrößenumforiaer naoh der Erfindung auch noch bei oberhalb der Curie-Temperatur von magnetischem Material liegenden Temperaturen einwandfreie

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SAD

Der Meßgrößenumformer nach der Erfindung kann vorteilhaft in Kern- oder Röntgenstrahlung ausgesetzten Räumen verwendet werden, da er aus Werkstoffen hergestellt werden kann, die widerstandsfähig gegen solche Strahlung sind und einen kleinen Absorptionsquerschnitt im Hinblick auf diese Strahlungen aufweisen«, Beispielsweise kann als elektrisch leitendes Material Aluminium verwendet werden, das im Vergleich zu magnetischen Werkstoffen einen relativ geringeiNeutronenabsorptiongquerschnitt aufweist.

Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen ^ erläutert, in denen zeigen:

Fig. 1 eine teilweise in Seitenansicht und teilweise geschnitten gezeigte Ansicht des Umformers nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines in dem Umformer nach Figur 1 verwendeten Spulenkerns,

Figo 3 und k und 5 Schaltbilder von Schaltungen, in denen der Umformer nach der Erfindung verwendet werden kann und

Fig. 6 eine Seitenansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines Spulenkerns zur Verwendung in dem Umformer nach Figur l_o I

In Figur 1 ist ein Umformer 100 gezeigt, der einen mittig angeordneten und beweglichen Spulenkern 102 besitzt, der an einer Einstellstange 104 befestigt ist_e Die Einstellstange 104 ist direkt an der Einrichtung befestigt deren Bewegung gemessen werden soll, oder sie befindet sich mit dieser in Berührung. Der Umformer besitzt eine elektrische Primärspule oder —wicklung 106 und zwei Sekundärspulen oder -wicklungen 108 und 110_o Die Wicklungen sind alle auf

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einen Spulenkörper 111 aus nichtmagnetischea, dielektrischem Material gewickelt. Der Spulenkörper 111 kann aus Keramikmaterial bestehen. Die Wicklung 106 bis IiO besitzen eine gute, vorzugsweise symmetrische Kopplung and besitzen .einen kleinen Durchmesser. Der bewegliche Spulenkern 102 ist deshalb auch klein und kann geringes Gewicht besitzen. Nach Figur 2 besitzt der Spulenkern 102 eine dünne, nichtmagnetische MetallhUlse 113» die von eine» Kern 115 aus einem nichtmagnetisohen, dielektrischen Material getragen wird* Das Material kann wiederum aus Keraeik bestehen« Die dünne Hülse 113 kann aus Metall mit geringes spezifischen Gewicht wie etwa Aluminium hergestellt sein., so daß der W Spulenkern als Ganzes geringes Gewicht besitzt. Falls das Gewicht eine geringe Bedeutung hat, kann der Spulenkern vollständig aus Metall bestehen» In jedem Fall ist der Spulenkern jedoch nicht magnetisch.

Der Umformer arbeitet auf dem Prinzip des Wirbelstromverlustes ο Wenn der Umformer durch eine an die Primär— j wicklung 10.6 gelegte Hochfrequenz—Wechselspannung erregt ί wird, ergibt eine Änderung der Stellung des Spulenkerns [

102 in dem Spulenkörper 111 eine Änderung der Impedanz ·,

■. - - f

-. zwisolaem ü®m Sekundärwicklungen 108 und HO» Biese Änderung " I kanii In ei-nem. geeigneten Ausgangskreis als Funktion der - .. [;

fc . Stellung de© Spulenkerns 102 and deshalb-ae-lg Funktion der ■- Stellsing irgead-oines mit üem Spulenkern feewegisngsschlüssig verbundenem Elementes gefühlt warden»

In den Figuren 3 bis 5 sind Schaltbilder von Schaltungen gezeigt, in denen der Umformer 100 verwendet werden kann,, Der Schaltkreis nach Figur J liefert als Ausgangsgröße eine Wechselspannung} während die Schaltkreise nach Figur k und 5 Gleichspannung liefern.

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In Figur 3 sind die Sekundärwicklung 108 und die Sekundärwicklung 110 gegeneinander in Reihe geschaltete Ein nicht gezeigter Wechselstromgenerator ist an die Anschlüsse 112 und 114 der Primärwicklung 106 geschaltet, zu der ein Entzerrkondensator 116 so parallel geschaltet sein kann, daß der Eingangsschaltkreis des Umformers sich hei der Betriehsfrequenz im Resonanzzustand befindet· Wenn der Spulenkern 102 in einer Null- oder Mittelstellung angeordnet ist, ist die Ausgangsspannung über den Ausgangsklemmen 118 und 120 im wesentlichen Null» Bei einer Bewegung des Spulenkerns 102 aus der Nullstellung in eine Richtung wird ein Ausgangssignal mit einer vorbestimmten Phasenbeziehung mit der Eingangsspannung erzeugt· Bei einer Bewegung des Spulenkerns 102 aus der Nullstellung in die andere Richtung wird eine Ausgangsspannung mit einer entgegengesetzten Phasenbeziehung erzeugte

In dem Schaltkreis nach Figur 4 sind die Sekundärwicklungen 108 und 110 in Reihe geschaltet, wobei ein Ausgangsanschluß I36 an ihre gemeinsame Verbindung geschaltet ist. Die anderen Enden der Sekundärwicklungen 108 und 110 sind miteinander durch Lastwiderstände 126 und 128 und Gleichrichterdioden I30 und 132 an eine Auegangeklemme 138 angeschlossen. Ober die Ausgangsklemmen I36 und 138 ist ein Filterkondensator 134 geschaltete Vie schon vorher wird die Primärwicklung I06 durch einen an die Klemmen 112 und 114 geschalteten Wechselstromgenerator erregt, und es kann ein Entzerrkondensator 116 vorgesehen sein. Im Betrieb liefert der Schaltkreis naoh Figur 4 kein Auegangssignal, wenn sich der Spulenkern 102 in der Null- oder Hittelstellung befindet, da in dieser Stellung des Spulenkerne die Sekundärwicklungen 108 und 110 gleich große aber mit entgegengesetzten Vorzeichen versehene Gleiohstromausgangssignale erzeugen* Wenn der Spulenkern aus dieser Stellung bewegt wird, erzeugt der Schaltkreis ein Gleichstromausgangssignal, welches im wesentlichen eine lineare

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Funktion der Bewegung des Spulenkerns 102 darstellt.

Das Vorzeichen des Ausgangssignals bangt von der Richtung dieser Bewegung ab,

In dem Schaltkreis nach Figur 5 sind die Sekundärwicklungen 108 und 110 zwischen Ausgangsklemmen 152 und 154 in Reihe geschaltet, wobei zwischen die Spulen und die Klemmen jeweils Dioden 140 und 142 geschaltet sind. Ein Lastkreis mit Widerständen 1*8 und 15O₉ zu denen Kondensatoren 144 und 146 parallel geschaltet sind, ist parallel zu den Ausgangsklemmen 152 und 15% geschaltet. Beim Betrieb wird die Primärwicklung I06 wie schon vorher durch einen Wechselstromgenerator erregt, der an die Klemmen 112 und 114 geschaltet ist· Durch die Bewegung des Spulenkerns 102 wird die an den Ausgangsklemmen 152 und 154 erzeugte Ausgangggltäeaspannuiig verändert«

Da beim Umformer nach der Erfindung Luftspulen oder Luftwicklungen verwendet werden und keine magnetischen Elemente vorgesehen sind, wird ein Klirrfalttor im Ausgangs— signal vermieden. Weiterhin können infolge des Fehlens von magnetischen Elementen viel höhere Eingaiigsfrequenzen verwendet werden, wodurch der Umformer einen höheren Frequenzbereich besitzt·

Figur 6 zeigt eine abgewandelte Ausfähmagätorm eines Spulenkerns, der in dem Umformer nach Figur 1 verwendet werden kann. Der Spulenkern 102a nach Figur 6 besitzt einen Kern 115a aus nicittmagsetischen, dielektrischem Material, wie etwa Keramik«iterlal.Anetel.le der Hülse 113 nach Figur 2 hat der Spulenkern 162a jedoch mehrere Hülsen 1138 aus nichtmagnetischen» elektrisch leitendem Material, die in Abst&nden zueinander angeordnet und voneinander elektrisch isoliert sind. Ebenso wie der Spulenkern 102 kann der Spulenkern 102a ganz «nc Metall hergestellt sein, wob·! er di· gleiche Ausführuageform wie in Figur 6 gezeigt besitzt, jedoch anstelle des dielektrischen Materials im

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Kern. Metall vorgesehen ist„ .Der Spulenkern 102a für den Meßwertumformer gewährleistet eine in hohem Maße lineare Eingangs—Ausgangs—Charakteristik, wobei im Vergleioh zum Spulenkern. 102 Linearität Über einen größeren Bewegungsbereich des Spulenkerns besteht«

Der beschriebene Umformer kann besonders vorteilhaft zu Messungen in Strahlungsräumen verwendet werden, da er völlig aus anorganischen, nichtmagnetischen Materialien wie etwa Aluminina und Alumini ümoxyd hergestellt werden kann« Diese Materialien sind gegen intensive Kernstrahlung widerstandsfähiger and ..weisen einen geringen Absorptionsquerschnitt far Röntgenstrahlung auf. Der Spulenkern aus * nichtmagnetischea Material gestattet einen Betrieb über einen weiten Temperaturbereich, da er frei von nichtlinearen PermeabilitätsänÄerangen und Einflüssen der Curie-Temperatur ist* DarUberhinaus besitzt der Umformer an sich eine niedrige Impedanz«

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Claims

Pa tentansprüche

1. Mechanisch-elektrischer Meßgrößenumformer mit einer durch Wechselstrom erregbaren Spule und mit einem in der Nähe dieser Spule relativ zu dieser verschiebbaren Glied, dessen Bewegung in eine elektrische Größe umgeformt werden soll, nach Patent .... (P 14 48 849«,4), bei dem das Glied aus einem niohtmagnetiechen, elektrisch leitenden Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise gleichachsig zu der mit Wechselet rom erregbaren Primärspule (lO6) zwei Sekundärspulen (108,110) angeordnet und das Glied (102,102a) innerhalb der Spulen in Achsrichtung derselben verschiebbar ist, das Glied einen aus dielektrischem Material bestehenden Kern (115) aufweist^ der Ton einer Hülse (113) aus einem nicht— magnetischenj alsktrisohuleitenden Material umschlossen ist sinfi dl® Setandärspulen derart angeordnet sind₉ daß ihr© Impedanz ia wesentlichen gleich gr©S ist₉ wenn sich «las Glied" in «aimer vorgegebenen Null—Lag® !befindet s,

) l&e®M30i<Qhm®&ρ €©f in- j©el®r SsuOTadLMirispisl© (1OS₉IiO)- im tfooQEaijIioSaQjE uqtf gl@ioh® Leis^feiaiigs^^Flost auftritt, das GIiod (10S₈IQSa) sich in der Mull-Lag® !»©finöeto

grölSenumformer nach Anspruch 1 oder 2₃ öaduroli gkeniazeicliTiet_s öaß die Primärspule (1O6) und die "Sekundärspulen (108,110) auf einem hohlen Spulenkörper (ill) ,angeordnet sind_s in dem das Glied (lO2,iO2a) verschiebbar ist₀ -

k» M@ßgrdßenumf ormer nach Anspruch ^₉ dadurch gekennzeichnet, fiai auf dem Spulenkörper (ill) zwischen den beiden Sekundärspulen (i08',110) die Primärspule (1O6) angeordnet ist,

Π {Art./§ 1 Abs.2 Nr. 1 Satz3 des Änderungen v. 4. Λ \.t.^x

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5. Meßgrößenumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet) daß die den Kern (115a) aus dielektrischem Material umschließende Hülse (113a) des Gliedes (102a) in Segmente unterteilt ist, die den Kern umschließen und elektrisch voneinander isoliert sind«,

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