DE1623748B2 - Vorrichtung zum elektrischen messen der position eines gliedes - Google Patents
Vorrichtung zum elektrischen messen der position eines gliedesInfo
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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.
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 (7)
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
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8235 | Patent refused |