DE1623748B2

DE1623748B2 - Vorrichtung zum elektrischen messen der position eines gliedes

Info

Publication number: DE1623748B2
Application number: DE1967K0061470
Authority: DE
Inventors: Peter Kingsley El Paso Col. Church (VStA.)
Original assignee: Kaman Aircraft Corp, Bloomfield, Conn. (VStA.)
Priority date: 1963-01-08
Filing date: 1967-02-20
Publication date: 1978-02-23
Also published as: FR93463E; US3336525A; GB1148631A; DE1623748A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Messen der Position eines Gliedes mit einer mit Wechselstrom gespeisten Meßbrücke, in der in zwei benachbarten Zweigen je eine Spule > <> angeordnet ist, deren Impedanz von der Position des Gliedes in bezug auf die Spulen abhängt, und wobei in der Brückendiagonalen eine elektrische Meßeinrichtung angeschlossen ist.

Aus der DE-PS 9 43 907 ist bereits eine Vorrichtung v, der vorgenannten Art bekannt, bei der innerhalb der von einem Weicheisenjoch umschlossenen Spulen ein Tauchanker angeordnet ist, der aus zwei durch einen magnetisch nichtleitenden Mittelabschnitt kraftschlüssig miteinander verbundenen Kernen aus einem t>o die magnetischen Kraftlinien gut leitenden Werkstoff besteht. Die durch die Meßgröße bedingte Eintauchtiefe der Kerne in die Spulen hat eine Änderung der Spuleninduktion zur Folge, so daß die Meßbrücke ein der Meßgröße proportionales Ausgangssignal liefert. fe5 Die bekannte mit einem Tauchanker ausgerüstete Vorrichtung hat eine verhältnismäßig geringe Meßempfindlichkeit.

Aus der DE-PS 5 44 137 ist eine Vorrichtung zum Messen von rasch wechselnden Drücken auf elektrischem Wege bekannt, die zwei nach dem Transformatorprinzip gekoppelte Spulen aufweist, von denen die eine an eine Wechselstromquelle und die andere an ein Meßgerät angeschlossen ist. In der Nähe jeder Spule ist eine durch rasch wechselnden Druck in Schwingung versetzbare Membran angeordnet, an der ein Blech aus elektrisch gut leitendem Metall befestigt ist. Das Magnetfeld der Spulen ruft in den Blechen Wirbelströme hervor, so daß deren Gegeninduktivität durch den wechselnden Abstand der schwingenden Bleche im Rhythmus der Druckschwankungen geändert wird. Das Meßgerät nimmt die durch die Schwingungen der Bleche in der angeschlossenen Spule hervorgerufenen Spannungsschwankungen auf, wobei der Scheitelwert der gemessenen Spannung ein Maß für die Druckhöhe ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Ausgangssignal der Meßbrücke innerhalb eines breiten Bereiches eine näherungsweise lineare Funktion der Position des Gliedes ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß das Glied aus nichtmagnetisierbarem, elektrisch leitendem Material besteht und auf der einen Seite der beiden Spulen axial zu den Spulen verschiebbar angeordnet ist.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ergibt sich aufgrund der kompensierenden Überlagerung der Ausgangsspannungen der beiden Spulen eine nahezu lineare Abhängigkeit zwischen der elektrischen Meßgröße und der Position des Meßgliedes innerhalb eines breiten Bereiches. Die Linearisierung der die elektrische Meßgröße in Abhängigkeit von der Position des axial verschiebbaren Meßgliedes darstellenden Eichkurve beruht auf der Überlagerung der beiden Spulenfelder plus der Wechselwirkung mit dem axial verschiebbaren Meßglied, in dem die überlagerten Spulenfelder Wirbelströme hervorrufen.

Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigt

Fig. 1 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie H-II in F i g. 1,

F i g. 3, 4 und 5 schematische Darstellungen von Ausführungsformen der Erfindung,

Fig.6 ein Schaltbild einer Wechselstrommeßbrücke und

F i g. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Ausführungsform der Erfindung.

In F i g. 1 bezeichnet die Bezugszahl 80 eine Spulenanordnung mit zwei Spulen 82 und 84, die auf einen nichtmagnetisierbaren, dielektrischen Kern 86 aus Keramikmaterial oder dergleichen gewickelt sind. Die Spulen 82 und 84 enden jeweils in Leitungspaaren 88 und 90, mittels derer sie an eine mit Wechselstrom gespeiste Meßbrücke anschließbar sind. Der Kern 86 besitzt eine zylindrische Gestalt, und die Spulen 82 und 84 sind in axial versetzte Schlitze 92 und 94 gewickelt, die sich auf der zylindrischen Oberfläche des Kerns befinden. Die Spulen 82 und 84 und die Schlitze 92 und 94 besitzen eine solche Gestalt, daß eine höchstmögliche Anzahl von Windungen der Spulen in einer senkrecht zur Zylinderachse verlaufenden Ebene vorhanden sind, so daß jede Spule eine geringstmögliche Ausdehnung in Richtung der Zylinderachse besitzt. Um den Kern 86 ist

eine Hülse 100 aus nichtmagnetisierbarem, dielektrischem Material angeordnet. Die Hülse 100 ist mit parallel zur zylindrischen Achse des Kerns verlaufenden Schlitzen 96 und 98 versehen, über welche Leitungspaare 88 und 90 von den Spulen 02 und 84 zur Rückseite des Kerns 86 verlaufen. Eine Abschirmung 102 aus magnetischem Material ist um die Außenseite und die Rückseite des Kerns 86 angeordnet. Die rückwärtige Seite der Abschirmung ist mit einer öffnung 104 versehen, in der ein mit Gewinde versehener hohler Schaft 106 befestigt ist. Die Leitungspaare 88 und 90 verlaufen durch die öffnung 104 und den Schaft 106 nach außen. Über der Abschirmung 102 ist ein Schutzschild 108 angeordnet, der ebenfalls an dem Schaft 106 befestigt sein kann. Mit Hilfe der Spulenanordnung 80 wird die Position einer Platte 109 aus nichtmagnetisierbarem, elektrisch leitendem Material in bezug auf die Stirnfläche 100 der Spulenanordnung erfaßt.

Die Spulen 82 und 84 liegen in benachbarten Zweigen einer Meßbrücke, die noch anhand von F i g. 6 erläutert wird. Eine Verschiebung der Platte 109 ruft in den Spulen Impedanzänderungen hervor, die eine Störung des Gleichgewichts der Meßbrücke zur Folge haben, die daher eine der Verschiebung der Platte 109 in bezug auf die Spulen 82 und 84 proportionale Meßspannung 2i liefert. Die Spule 84 wird im folgenden als Hauptspule und die Spule 82 als Abgleichspule bezeichnet.

Die Vorrichtung nach der Erfindung arbeitet nach dem Wirbelstromverlustprinzip, und zwar werden Impedanzänderungen in den Spulen infolge Verände- jo rung der Wirbelstromverluste in der Platte 109 hervorgerufen. Die Platte 109 soll eine etwa gleiche oder größere Dicke als die Eindringtiefe des Stroms in sie bei der Betriebsfrequenz der zur Speisung der Meßbrücke verwendeten Wechselspannung besitzen. Die Platte 109 » sollte vorzugsweise aus einem Metall wie etwa Aluminium, Magnesium oder rostfreiem Stahl bestehen und eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen.

In den Fi g. 3—5 sind verschiedene Ausführungsformen von Spulenanordnungen schematisch dargestellt. F i g. 3 zeigt die Spulenanordnung 80 nach F i g. 1, bei der die Spule 82 den gleichen Durchmesser wie die Spule 84 besitzt, aber in größerem Abstand d\ von der Platte 109 als die Spule 84 angeordnet ist, die im Abstand d/2 von der Platte 109 angeordnet ist. F i g. 4 zeigt -t > eine Spulenanordnung 80a, bei der die Spule 82a einen geringeren Durchmesser als die Spule 84a besitzt und die beiden Spulen in der gleichen Ebene liegen. Bei dieser Ausführungsform ist der Abstand d jeder Spule von der Platte 109 gleich. F i g. 5 zeigt eine Spulenan- >o Ordnung SQb, bei der die Spule 826 größeren Durchmesser als die Spule 84b besitzt. Die Spule 82£> ist im Abstand d\ von der Platte 109 angeordnet, der größer ist als der Abstand di der Spule 846 von der Platte 109. In jedem Fall sind die Spulen 84,84a und Mb r> die Hauptspulen und die Spulen 82, 82a und 826 die Abgleichspulen. In jeder Ausführungsform besitzt die Platte 109 entweder infolge der Größe oder der Anordnung der Spulen eine geringere Wirkung auf die Abgleichspulen 82, 826 und 82a als auf die Hauptspulen 84, t>o 84a und Mb.

In F i g. 6 ist die Meßbrücke 220a dargestellt, die aus zwei Widerständen 222a und 224a und den beiden bei der Ausführungsform nach F i g. 1 vorgesehenen Spulen 82 und 84 gebildet ist. In einem typischen Beispiel be- t>i sitzen die Spulen 82 und 84 einen Durchmesser von 19 mm. Jede Spule besitzt dabei elf Windungen aus Kupferdraht. Die Spulen liegen in axialer Richtung um 2,3 mm auseinander. An den Klemmen 232a und 233 liegt eine hochfrequente Wechselspannung mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1 MHz an. An die Ausgangsklemmen Q und D\ ist eine nicht näher dargestellt; elektrische Meßeinrichturkg angeschlossen, die eine der zwischen den Klemmen C\ und D\ anliegenden Wechselspannung entsprechende Ausgangsgleichspannung liefert. Die Meßeinrichtung enthält einen phasenrichtigen Demodulator.

In der Tabelle ist die bei Verschieben der Platte 109 am Ausgang der Meßeinrichtung auftretende Gleichspannung angegeben.

Tabelle

Verschiebung	Ausgangs	0,323	Ausgangs	Ausgangs
der Platte v.d.	spannung	0,170	spannung	spannung Haupt
Hauptspule in	Hauptspule	0,061	Abgleich	spule 84 und Ab
mm	84	-0,006	spule 82	gleichspule 82
2,55	-0,050
3,8	-0,080	—	—
5,1	-0,104	-0,208	-0,022
6,35	-0,118	-0,175	-0,056
7,6	-0,150	-0,075
8,9	-0,135	-0,090
10,15	-0,127	-0,106
11,45	-0,125	-0,118

Die Werte aus der Tabelle sind in Fi g. 7 als Kurven 1, 2 und 3 graphisch dargestellt. Kurve 1 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung bei Verschieben der Platte 109 gegenüber der Hauptspule 84 für den Fall, daß die Abgleichspule 82 physikalisch von der Spulenanordnung 80 so weit entfernt worden ist, daß sie durch die Platte 109 nicht mehr beeinflußt wird. Die Abgleichspule 82 liegt jedoch in der Meßbrücke. Die Kurve 1 zeigt also den Einfluß der Verschiebung der Platte 109 nur gegenüber der Hauptspule 84 auf die Ausgangsspannung der Meßbrücke.

Die Kurve 2 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung bei Verschiebung der Platte 109 gegenüber der Abgleichspule 82 für den Fall, daß die Hauptspule 84 von der Spulenanordnung 80 so weit entfernt worden ist, daß sie durch die Platte 109 nicht mehr beeinflußt wird. Die Hauptspule 84 liegt jedoch in der Meßbrücke. Die Kurve 2 zeigt deshalb den Einfluß der Verschiebung der Platte 109 gegenüber der Abgleichspule 82 au! die Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung der Abgleichspule 82 weist gegenüber der Ausgangsspannung der Hauptspule 84 eine umgekehrte Polarität auf, da sich die Abgleichspule in einem anderen Zweig der Brücke befindet.

Die Kurve 3 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung bei Verschieben der Platte 109 sowohl gegenüber der Hauptspule 84 als auch der Abgleichspule 82. Der Abstand c/der Hauptspule 84 von der Abgleichspule 82 beträgt in dem Versuchsbeispiel 2,3 mm. Die jeweiligen Positionen der Platte 109 wurden bei der Erzielung der Daten für die Kurven 1 und 2 aufrechterhalten. Es ist zu ersehen, daß die Abgleichspule 82 eine Verbesserung der Linearität der Ausgangsspannung als Funktion der Vers"hiebung über einen brauchbaren Bereich der Kurve 3 bewirkt. Die Kompensationsvvirkung kann erreicht werden, indem als Abgleichspule eine Spule von ähnlichem Durchmesser wie die Hauptspule verwendet wird und diese Spule in einer größeren Entfernung von der Platte 109 angeordnet wird, wie in Fig.3 gezeigt

ist. Die Kompensation kann auch dadurch bewirkt werden, daß eine Abgleichspule mit geringerem Durchmesser verwendet wird, die in der gleichen Entfernung von der Platte 109 wie die größere Hauptspule angeordnet wird, wie in F i g. 4 gezeigt ist. Ebenso kann eine Kompensation erreicht werden, indem eine Hauptspule mit kleinerem Durchmesser verwendet wird, die näher an der Platte 109 als die größere Spule angeordnet ist, wie in F i g. 5 gezeigt ist.

Die elektrisch leitende Platte 109 bewirkt die größte Impedanzänderung der ihr am nächsten liegenden

Spule, wenn die Spulen gleichen Durchmesser besitzen und gleiche elektrische Eigenschaften besitzen. In ähnlicher Weise tritt die größte Impedanzänderung in der Spule mit großem Durchmesser auf, wenn die Spulen in der gleichen Ebene liegen. Da also die Abgleichspule entweder tatsächlich oder nur hinsichtlich ihrer elektrischen Wirkung gegenüber der Hauptspule axial versetzt ist, erhält man einen nahezu linearen Verlauf der Ausgangsspannung der Meßbrücke in Abhängigkeit von der Position der Platte 109.

Hierzu 2 Blatt Zcichnurmcn

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum elektrischen Messen der Position eines Gliedes mit einer mit Wechselstrom gespeisten Meßbrücke, in der in zwei benachbarten Zweigen je eine Spule angeordnet ist, deren Impedanz von der Position des Gliedes in bezug auf die Spulen abhängt, und wobei in der Brückendiagonalen eine elektrische Meßeinrichtung ange- i<> schlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (109) aus nichtmagnetisierbarem, elektrisch leitendem Material besteht und auf der einen Seite der beiden Spulen (82, 84) axial zu den Spulen verschiebbar angeordnet ist. r>

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (82, 84) eine gemeinsame Achse besitzen, senkrecht zu eier das Glied (109) angeordnet ist, das in Richtung der gemeinsamen Achse der beiden Spulen zwischen :?" zwei Stellen verschiebbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (109) eine Platte ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spu- 2> len (82, 84) den gleichen Durchmesser aufweisen und im axialen Abstand voneinander angeordnet sind.

5. ^vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (82, 84) j<> verschiedenen Durchmesser aufweisen und in der gleichen Ebene angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (82, 84) verschiedenen Durchmesser aufweisen und im ι-> axialen Abstand voneinander angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (82, 84) auf einem Kern (86) aus dielektrischem Material angeordnet sind. w