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Einrichtung zur Feststellung von Relativbewegungen Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zum Feststellen einer, vorzugsweise langsamen, Relativbewegung
zwischen zwei Gegenständen, beispielsweise zum Zweoke der Anzeige, der Messung oder
der Ableitung von Steuervorgängen in Abhängigkeit von der Relativbewegung.
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Es gibt bereits zahlreiche elektrische und mechanische Bewegungsmesser
für Relativbewegungen, die Jedoch im Aufbau aufwendig und kompliziert sind.
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Aurgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung einer einfachen
und preiswerten Einrichtung zur Anzeige, Messung oder Ableitung von Steuervorgängen
in AbhKngigkeit der Relativbewegung zwischen mindestens zwei Gegenständen, von denen
zumindest ein Gegenstand eine Dreh-., Längs- oder Schwingbewegung ausführt.
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Die Erfindung kann vorteilhafterwe;Lse auf zwei bewegte Gegenstände
oder auf einen ruhenden und einen bewegten Gegenstand angewendet werden. Sie ermöglicht
insbesondere die Feststellung einer sprunghaften Xnderung der Relativbewegung oder
die Feststellung der Relativbewegung Null, beispielsweise den Übergang siner sich
langase drehenden Welle zum Stillstand, bezogen auf sin nioht bewesges Gehäuse.
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Die
Die Erfindung besteht darin, daß ein erster Gegenstand
mit einem Widerstandakdrpor, dessen Widerstandswert sich stark mit der Temperatur
ändert, starr gekoppelt ist, während der zweite Gegenstand mit wenigstens einem
ersten Metallkontakt starr verbunden ist, der in Verbindung mit einem zweiten Metallkontakt
an dem Widerstandskörper eine Strecke im wesentlichen glei¢hbleibender, von der
relativen Bewegung der beiden Gegenstände unabhängiger, Länge abgreift und an diese
Strecke eine konstante Gleich- oder Wechselspannung legt, und daß der durch diese
Strecke fließende Strom als ein Kriterium ftir die relative Bewegung der beiden
Gegenstände dient.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung beruht darauf, daß an dem Widerstandskörper,
solange. zwischen den zwei Gegenständen eine Relativbewegung vorhanden ist, eine
sich entsprechend der Relativbewegung kontinuierlich verschiebende Widerstandszone
konstanter Länge an die konstante Gleich- oder Weoheelapannung gelegt wird. Dadurch
durchfließt der Stroh Uber die beiden Metallkontakte stets eine örtlich sioh verschiebende
Widerstandszone und bedingt Je nach der Geschwindigkeit der Relativbewegung eine
unterschiedliche Erwärmung der Jeweiligen Wlderstandszone. Bei konstanter Gleich-
oder Wechselspannung bedeutet dies bei einem stark von der Temperatur abhängigen
Widerstandskörper eine vom Bewegungszustand der beiden Gegenstände abhängige Stromstärke
des Stromes, die zur Anzeige, Messung odör Ableitung von Steuervorgängen ausgewertet
werden knien.
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Aufler
Außer von der Höhe der Relativbewegung ist
die Stromstärke im wesentlichen von der Temperaturcharakteristik eund dem Widerstandswert
der von den Metallkontakten abgegriffenen Widerstandszone des Widerstandskörpers,
den MetallkontaktUbergangswiderständen und der angelegten Gleich- oder Wechselspannung
abhängig.
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Die stärkste Erwärmung der Widerstandszone erhält man, wenn zwischen
den zwei Gegenständen keine Relativbewegung vorhanden ist. Es nimmt dann der Strom
Je nach der Temperaturcharakteristik des Widerstandskörpers den kleinsten oder größten
Wert an.
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Die Erfindung eignet sich deshalb besonders zur Feststellung des Übergangs
zur Relativbewegung Null zwischen zwei Gegenständen.
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Dieser Vorteil kann beispielsweise zur automatischen Abschaltung des
Motors einer ein- und ausfahrbaren Fahrzeugmotorantenne ausgenutzt werden.
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Bei handelsUblichen Fahrzeugmotorantennen wird das Antennenteleskop
von einem Motor eine und ausgefahren. Zwischen Motor und Antsnnenteleskop ist im
allgemeinen eine Kupplung eingebaut, die den Motorantrieb von dem Antennenteleskop
entkuppelt, wenn das Antennenteleskop nach dem Einschalten in die jeweilige Endlage
oder aufgrund einer Störung zum Stillstand kommt. Zur ansohließenden Motorabschaltung
eignet sich gemäß der Erfindung besonders eine Sinriohtung, bei der der erste Gegenstand
das das Antennenteleskopantriebsseil antreibende, vom Motor bewegte Antriebsmittel
und der zweite Gegenstand ein ortsfestes Bauteil der Antenne
Antenne
ist, und weiterhin eine Vorrichtung, die den Motor abschaltet, wenn der Strom zwischen
den Metallkontakten beim Stillstand oder Anhalten des Antriebsmittels einen vorgegebenen
Wert über- oder unterschreitet.
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Eine andere Einrichtung zur automatischen Abschaltung des Motore einer
eine und ausfahrbaren Fahrzeugmotorantenne kann derart sein, daß der erste Gegenstand
der abtriebsseitige Teil liner Kupplung mit begrenzter Drehmomentübertragung enirrohen
dem Motor und dem Antennenteleskopantriebsseil und der zweite Gegenstand der antriebsseitige
Teil der Kupplung ist.
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Die Erfindung kann auch angewendet werden für die automatische Antriebsabschaltung
oder die automatische Auslösung einer anderen Schaltfunktion bei mit bandförmigen
Informationsträgern ar tenden Aufnahme- oder Wiedergabegeräten, beispielsweise zur
Bande endabschaltung von magnettangeräten oder bei Filmprojektoren zur Abblendung
und Antriebsabsohsltung bei Filmriß. Vorteilhafterweise ist bei derartigen Anwendungsfällen
der erste Gegenstand eine Welle, die sioh bei normalem Banddurohlauf dreht, Jodooh
bei einer Störung oder Veränderung des Banddurohlaufes nur Ruhe kommt, während der
zweite Gegenstand das Chusis oder ein mit den Chassis starr verbundenes Bauteil
ist, Weiterhin tat zweckmäßigerweise eine Vorriohtung vorgesehen, die den Antrieb
absohaltet oder eine andere Schaltfunktion ausldst, wenn der Strom zwischen den
Metallkontakten bei einer Störung oder Veränderung des Banddurchlaufes einen vorgegebenen
Wert über- oder unterschreitet. Speziell für die
di. Bandondabsohaltung
von Magnettongeräten ist es günstig, wenn der erste Gegenstand die Welle des Abwickeltellers
oder die Welle einer Bandandruckrolle ist.
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Als geeignete Widerstandskörper mit starkem Temperaturgang können
Heiß-, Kalt- oder Halbleiter gewählt werden. Zweckmäßige Schaltungsauslegungen sind,
daß die konstante Gleioh- oder Wechseispannung nur dann an den Metallkontakten liegt,
wenn das die Relativbewegung der beiden Gegenstände verursachende Antriebssystem
eingeschaltet ist, und daß der Uber die Metallkontakt. fließende Strom oder eine
von diesem Strom abgeleitete Spannung eine Anzeige- oder Steuervorrichtung mit Verzögerung
betätigt, wenn zwischen dem ersten Gegenstand und dem zweiten Gegenstand keine Relativbewegung
vorhanden ist. Außerdem kann in dem Stromkreis mit den Metallkontakten ein ohmscher
Widerstand zur Strombegrenzung liegen.
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Die mechanische Gestaltung der Einrichtung zum Feststellen von Relativbewegungen
kann Je nach dem Anwendungsfall sehr verschiederartig sein.
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Es kann der Widerstandskörper scheibenförmig, hohlzylindrisch oder
schichtförmig sein und an einem Träger angebracht sein, der seinerseits an dem ersten
Gegenstand befestigt ist. Der Träger kann die Gestalt einer runden oder rechteckigen
Scheibe haben, die Form einer HUlse mit rundem oder eckigem Querschnitt besitzen
oder U-rdrmig ausgebildet sein. Widerstandskörper, Träger und erster Gegenstand
können lösbar oder unlösbar miteinander verbunden sein.
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Vortellhafte
Vorteilhafte Kontaktierungen des Widerstandskörpers
sind, daß der starr mit dem zweiten Gegenstand verbundene erste Metallkontakt schleifund
auf der Oberfläche des Widerstandskörpers anliegt, auch der zweite Metallkontakt
mit dem zweiten Gegenstand starr verbunden ist und schleifend auf der Oberfläche
des Widerstandskörpers in konstantem Abstand von dem ersten Metallkontakt anliegt,
der zweite Metallkontakt auf einer dom ersten Metallkontakt gegenUberliegenden Fläche
des, vorzugsweise scheibenförmigen oder hohlzylindrischen, Widerstandskörpers schleifend
anliegt, der zweite Metallkontakt an einer Fläche des metallischen Trägers schleifend
anliegt oder der zweite Metallkontakt sn einer Fläche des metallischen ersten Gegenstandes
schleifen anliegt und der Träger mit dem ersten Gegenstand metallischen Kontakt
hat.
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Zur Feststellung der Drehbewegung eins Gegenstandes gegenüber einem
ruhenden Gegenstand kann die Anordnung zweckmäßigerweise derart sein, daß der eine
Drehbewegung ausführende erste Gegenstand eine Welle ist, die mit einem kreis@cheibenförmigen,
metallischen Träger, der einen gegenüber der Welle größeren Durchmesser hat, fest
verbunden ist, auf der einen Seite des Trägers ein im Durchmesser etwa gleich großer,
kreisscheibenförmiger Widerstandskörper aufgelötet ist und daß die zwei Metallkontakte
an einem ruhenden zweiten Gegenstand starr befestigt sind, wobei der erste Metallkontakt
auf der Oberfläche des Widerstandskörpers und der zweite Metallkontakt auf der dem
Widerstandskörper abgewandten, anderen Seite des Trägers schleifen anliegt. Eine
andere Ausführungsmöglichkeit
Ausfthrungsmöglichkelt für die Feststellung
einer Drehbewegung kann sein, daß der eine Drehbewegung ausführende erste Gegenstand
eine metallische Welle ist, auf dle, vorzugsweise an derem einen Ende, ein hohlzylindrischer,
gegebenenfalls auf einem metallischen hohlzylindrischen Träger befestigter, Widerstandskörper
fest aufgepreßt ist, die zwei Metallkontakte an einem ruhenden zweiten Gegenstand
starr befestigt sind, der erste Metallkontakt auf der Oberfläche des Widsrstandskörpers
und der zweite Metallkontakt auf der Oberfläche der Welle schleifend anliegen.
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Zur Vermeidung von Kontaktierungsschwierigkeiten, insbesondere hinsichtlich
der Oberflächenbeanspruchung des Widerstandskörpers, kann bei der Verwendung von
beispielsweise Halbleitermaterial zur Feststellung von Drehbewegungen der Widerstandskörper
so aufgebaut sein, daß ein kreisringscheibenförmiger Widerstandakdrper in Umfangsrichtung
in einzelne kleine, voneinander elektrisch isolierte Widerstandssegmente aufgeteilt
ist, wobei die einzelnen Widerstandssegmente auf ihrer einen Seite elektrisch mittels
einer metallischen, gegebenenfalls als Träger dienenden Platte, die starr mit dem
ersten Gegenstand gekoppelt ist, verbunden sind, während die anderen Seiten der
Widerstands segmente mit voneinander elektrisch isolierten, mechanisch aber verbundenen
Metallsegmenten elektrisch kontaktgebend abgedeckt sind, und der an dem zweiten
Gegenstand starr befestigte erste Metallkontakt auf den Metallsegmenten schleifend
anliegt.
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Nähere Einzelheiten der Erfindung werden für sechs Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnung beschrieben.
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Fig. 1
Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zur Feststellung
einer Drehbswegung gegenüber einem ruhenden Gehäuse, Fig. 2 den hierzu charakteristischen
Stromverlauf.
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Fig. 3 zeigt eine ausbaumöglichkeit ftlr das Beispiel nach Fig. 1
zur Verstärkung des Melffektes, Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit
zur Feststellung von Drehbewegungen an verschiedenen Stellen eines Gerätes, Fig.
5 zeigt die Befestigung eines runden, schsibenförmigen Widerstsndskörpsra mittels
eines hülsenförmlgen Trägers an einer Welle, Fig. 6 zeigt einen U-förmigen Träger
mit einem zwischen den Schenkeln angebraohten, schsibenförmigan Widerstandskörper
mit rechteckigem Querschnitt zur Feststellung von Schwingbewegungen, Fig. 7 zeigt
eine weitere Ansicht zur Anordnung nach Fig. 6, Fig. 8 zeigt einen Widerstandskörper
mit Halbleitermaterial, Fig. 9 ist ein Schnitt dadurch dte Anordnung nach Fig. 8.
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In Fig. 1 ist sine Einriohtung zur Feststellung der Drehbewegung einer
Welle 1, des ersten Gegenstandes, gegenüber etwa Gehäuse 2, dem zweiten Gegenstand,
dargestellt. Die Einrichtung soll dazu dienen, den Stillstand der Welle 1 zu @@@@n,
um davon abhängig gegebenenfalls
gegebenenfalls eine nicht gezeichnete
weitere Anzeige- oder Steuervorrichtung zu steuern. Vorzugsweise soll der Übergang
von einer langsamen Drehbewegung, beispielsweise eine Umdrehung pro Sekunde, zum
Stillstand durch die Einriohtung kontrolliert werden.
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Hierfür ist die zu Uberwsohende Welle 1 mit einem Lager 3 in dem ruhenden,
nur schematisch angedeuteten Gehäuse 2 gelagert. Außer weiteren nicht gezeichneten
Teilen hat die Welle 1 einen an ihrem einen Ende fest angebrachten, scheibenförmigen,
runden Teller 4, den sogenannten Träger, auf den ein ebenfalls soheibenförmiger,
runder Widerstandskörper 5 mit gleichem Durchmesser wie der des Tellers X aufgelötet
ist, Als Widerstandskörper 5 können insbesondere heißleiter - beispielsweise NTC-Widerstandsmaterial
aus gepreßtem Metalloxyd Fe304 -oder Kaltleiter - beispielsweise PTC-Widerstandsmaterial
aus BaTiO3 - verwendet werden, deren Widerstandswert sich stark mit der Temperatur
ändert und die außerdem eine ausreichende Oberfläohenrelbfestigkeit haben.
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In den AusfUhrungabeispielen der Fig. 1 bis 7 sei beispielsweise angenommen,
daß der Widerstandskörper 5 ein NTC-Heißleiter ist.
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Der Widerstandskörper 5 ist mit den zwei Netallkontakten 6, 7, die
fest in dem Gehäuse 2 befestigt sind, Uber ein StrommoB-instrument 8 und einen der
Strombegrenzung dienenden Vorwiderstand 9 an eine Batterie 10 angeschlossen.
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Die
Die Kontaktierung des Widerstandskörpers 5 mit
den Metallkontakten 6, 7 erfolgt mit leichtem Andruck zur Erreichung eines kleinen,
möglichst konstanten Übergangswiderstandes. Der Metallkontakt 6, genannt der erste
Metallkontakt, liegt dabei schleifend auf der einen Oberfläche des Widerstandskörpers
5, der Metallkontakt 7, genannt der zweite Metallkontakt, dagegen auf der dem Widerstandskörper
5 abgewandten Seite des Trägers 4.
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Beide Metallkontakte 6, 7 sind so angeordnet, daß an dem Widerstandskörper
5 eine Widerstands zone 11 im wesentlichen gleichbleibender, von der Drehbewegung
unabhängiger Länge abgegriffen wird.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung beruht darauf, daß, solange die
Welle 1 Drehbewegungen ausführt, der Metallkontakt 6 auf dem Widerstandskörper 5
schleift. Dabei tritt zwischen den Metallkontakten 6, 7 örtlich kein. so große Erwärmung
auf, daß sich der sehr stark temperaturabhknglge Widerstand der Widerstandszone
11 wesentlich erniedrigt. Der Strom ist deshalb, solange sich die Welle 1 dreht,
klein. Er ist im wesentlichen abhängig von dem gewählten Material des Widerstandskörpers
5, insbesondere seiner Dicke, der angelegten Batteriespannung, den Metallkontakt-Ubergangswiderständen
und der Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle 1.
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Kommt jedoch die Welle 1 zum Stillstand, so erwärmt stoh die Widerstandszone
11 wesentlich. Die Folge ist eine Verkleinerung des Widerstandes des Stromkreises
und damit bei angenommen konstanter Batterlespannung ein starkes Ansteigen des Stromes.
Die
Die Stromstärke - meßbar beispielsweise durch da8 Stromeßinstrument
8 - oder auch eine von ihr abhängige Spannung in dem Stromkreis ist somit ein eindeutiges
Kriterium für den Bewegungszustand der Welle 1.
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In Fig. 2 ist das Zeitverhalten des Stromes der in Fig. 1 dargestellten
Einrichtung gezeigt.
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Bei konstanter Drehzahl für die Welle 1 mißt man beispielsweise in
dem Strommeßinstrument 8 den Strom I1J der bis auf eine geringe Restwelligkeit,
die in erster Linie durch die schwankenden Metallkontaktübergangswiderstände bedingt
ist, konstant ist. Kommt nun die Welle 1 zum Zeitpunkt t0 zum Stillstand, steigt
der Strom nach einer gewissen Verzögerung von ca. einer bis drei Sekunden Je nach
Wahl der Batteriespannung (U1 oder U2) sehr stark an. Mit I2 ist der Stromwert bezeichnet,
mit dem eine weitere nicht gezeichnete Meß-, Anzeige- oder Steuervorrichtung gesteuert
wird. Die Verzögerungszeit ist über die Schaltkreisparameter Batteriespannung 10,
Widerstand 9, Widerstandsmaterial des Widerstandskörpers 5 und die Übergangswiderstände
der Metallkontakte 6, 7 zum Widerstandgkdrper 5 in weiten Grenzen beeinflußbar.
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In Fig. 3 ist eine Einrichtung zur Feststellung der Drehbewegung einer
Welle 12 dargestellt, bei der im Gegensatz zu der Elnrlchtung nach Fig. 1 zur Verstärkung
des Meßeffektes an der Welle 12 ein zusätzlicher Widerstandskörper 13 mit einem
Träger 14 angebracht ist. Die Metallkontakte 6, 15 schleifen auf der Oberfläche
der
der beiden Widerstandskörper 5 und 13 und sind in dem Stromkreis
parallel geschaltet. Der zweite Metallkontakt 16 ist an die Welle 12 gedrüokt, die
metallische Verbindung su den Trägern 4 und 14 hat.
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Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß Bewegungsänderungen der Welle
12 aufgrung der parallel gesohalteten Widerstandskörper 5 und 13 eine gegenüber
der Ausführung nach Fig. 1 verstärkte Stromänderung zur Folge haben.
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In Fig. 4 ist eine Einriehttma zur Feststellung der Drehbewegung verschiedener
Wellen 17 und 18 dargestellt. Die mit den Wellen 17, 18 auf den Trägern 19 und 20
starr gekoppelten Wideratandskörper 21 und 22 sind parallel an die Batteriespannung
angeschlossen. Sobald eine Welle zur Ruhe kot, steigt der Strom im Stromkreis stark
an.
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Die Widerstan@skörper in den Beispielen nach Fig. 3 und 4 sind parallel
an die Spannungsquelle angeschlossen, es ist jedoch flir bestimmte Anwendungsfälle
möglich, mehrere Widerstandskörper in Reihe an die Spannungsquelle zu schalten.
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Eine andere Halterungsmöglichk@it eines Widerstandskörpers 23 auf
einer sich drehenden metallischen Welle 24 ist in Fig. 5 gezeigt. Ein auf der Welle
24 fest aufgspre@ter hülsenförmiger Träger 25 drüokt mit einer Auflagesabulter 26
den Widerstandskörper 23 fest an die Welle 24.
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In Fig. 6 und 7 sind zwei Ansiohten einer Einrlohtung zur Fest. stellung
von Schwingbewegungen eines Schiebers 38 gezeichnet. An des
dem
schwingenden Schieber sind die zwei Metallkontakte 40 und 39 fest angebracht, die
mit ihren Kontakten auf zwei entgegengesetzten Oberflächen eines Widerstandskörpers
41 schleifend anliegen. Der scheibenförmige Widerstandskörper 26 mit rechtsckigem
Querschnitt ist zwischen den Sohenkeln eines U-förmigen Trägers 27 gehaltert, der
starr mit dem Gehäuse 28 gekoppelt ist.
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Weitere Rinselheiten der elektrischen Schaltung sind nicht dargestellt.
Die Wirkungsweise ist entsprechend den vorherigen spielen.
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In Fig. 8 und 9 sind zwei Ansichten eines Widerstandskörpers 29 mit
Halbleltermaterial gezeigt. Der Widerstandskörper 29 ist aut einem scheibenförmigen,
runden Träger 30 angebracht, der starr mit einer Welle 31 gekoppelt ist. Widerstandskörper
29 und Träger 30 iind mittels einer hohlzylindrischen HUlse 32 aus Xwintstcff verspannt.
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Der widerstandskörper 29 ist kreisringsoheibenförmig und besteht in
Umfangsrichtung aus einzelnen, voneinander elektrisch isolierten Halblsiterwiderstandssegmenten
33, die auf der dem Träger 30 abgewandten Seite mit voneinander elektrisch isolierten,
meohanisoh aber verbundenen Metallsegmenten 34 slektrisch komtaktgebend abgedeckt
sind.
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Die slektrisohe Verbindung des Widerstandakörpers 29 zu der nicht
geseishneten elektrischen Schaltung erfolgt Ueber die am Gehäuse 37 befestigten
Metallkontakte 35 und 36. Der Metallkontakt 35 liagt dabel sehleifond auf den Metallsegmenten
34, der Metallkontakt 36 aur
auf der dem Widerstandskörper 29 abgewandten
Seite des Trägers 30.
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Die Wirkungsweise in Verbindung mit der nicht gezetohneten elektrischen
Schaltung beruht darauf, daß, solange sioh die Welle 31 dreht, unterschiedliche
Widerstandssegmente 33 vom Strom durch flossen werden. Die Stromstärke aufgrund
der damit zusammenhängenden Erwärmung hängt von der Drehgeschwindigkeit ab, wenn
man annimmt, daß die übrigen Parameter konstant sind. Bleibt dig Welle 31 stehen,
so fließt der Strom nur nooh durch ein Widerstandssegment und steigt wie bei den
anderen behandelten Beispielen wegen der zunehmenden Erwärmung sehr stark an.
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Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, daß die Oberflächen des
Widerstandskörpers nicht von den schleifenden Metallkontakten beschädigt werden
und die Metallkontakttibergangswiderstände konstant sind.
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Die verschiedenen AusfUhrungsbetspiele dienen der besseren Verständlichkeit
der Erfindung. Die Erfindung ist Jedoch keineswegs auf diese Ausführungsformen beschränkt,
J. Moh dem Anwondungsfall sind die unterschiedlichsten Bauformen möglich. Ein weiteres
vorteilhaftes Anwendungsgebiet ist die Messung sprunghart unterschiedlicher Relativbewegungen,
beispielsweise zur Kontrolle oder Steuerung zweler unterschiedlicher Drehgesohwindigkeiten
einer Welle.