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Me- oder Anzeigevorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Lage-Meß-
oder Anzeigevorrichtung und zielt auf die Schaffung einer empfindlichen Vorrichtung
zur Bestimmung der relativen Lagen zweier oder mehrerer Körper oder zur Erzielung
einer auf dieser Lagebeziehung beruhenden Information ab.
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Die Erfindung besteht aus einer Meß- oder Anzeigevorrichtung, gekennzeichn
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gekennzeichnet durch zwei induktiv gekoppelte elektromagnetische
Wicklungen (von welchen eine an eine pulsierende oder schwingende elektrische Spannungsquelle
anschließbar ist und die andere an ein Me£- oder Anzeigegerät anschließbar ist)
sowie durch einen magnetisierten oder magnetisierbaren Körper, welcher nahe den
Windungen gehalten wird und bezüglich derselben unter der Einwirkung eines Körpers
beweglich ist, dessen Lage oder Bewegung oder Oberflächenform zu beobachten ist.
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Die Wicklungen können diejenigen eines Ringtransformators sein. Ein
Magnet kann an einer Feder neben den Wicklungen angebracht sein. Ein Kontaktorgan
kann am Magneten vcrgesehen werden, welches An Kontakt mit dem zu untersuchenden
Körper gebracht werden kann, um den Magneten in einer Lage beztiglich der Wicklungen
zu bringen, welche Cr Lage des zu untersuchenden Körpers entspricht. Statt dessen
kann der Magnet an einer drehbaren Welle angebracht sein, so daß eine Drehstellung
mittels eines oder mehrerer Paare von Wicklungen festgelegt wird, welche rings um
die kreisförmige Bahn angeordnet sind, in der sich der Magnet dreht. Be einer weiteren
Anordnung kann der Magnet oder der Ring an einer Nadel (beispielsweise der Nadel
eines Grammophon-Tonabnehmers) befestigt sein, um Krümmungen zu untersuchen oder
andere Oberflächenmessungen durchzuführen.
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Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert0
Es zeigen Figur 1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform der erfidnungsgemäßen
Lageabtastvorrichtung, Figur 2
Figur 2 eine andere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Lageabtas tvorrichtung, Figuren 3 und 4 in Schrägansicht andere
Aus führungs formen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung von Drehstellungen
oder Bewegungsgeschwindigkeiten, Figur 5 das Schaltbild einer Ausführungsform eines
Oszillators, welcher in Verbindung mit den in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Vorrichtungen
verwendet werden kann, Figur 6 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, bei welcher ein Magnet mit zwei Polen verwendet wird, welcher in einer
kreisförmigen Anordnung von fünf umwickelten Kernen drehbar ist, und Figur 7 einen
Magneten mit drei Polen, welcher einer Anordnung mit fünf Kernen drehbar zugeordnet
ist.
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Zur Ausführung der Erfindung kann ein Ringtransformator, wie ein Ferritring,
verwendet werden, welcher eine PrimEr- und eine Sekundärwicklung trägt und einem
Magneten zugeordnet ist, der von einer Feder neben dem Ring gehalten wird.
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Ein Ringtransformator kann als Transformator nur wirksam arbeiten,
solange das Magnetkernmaterial nicht gesättigt ist.
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Wenn daher ein Wechselstrom in der Primärwicklung fließt, wird eine
Spannung an der Sekundärwicklung erzeugt und bewirkt einen Stromfluß in einem äußeren,
damit verbundenen Kreis. Wenn nun ein äußeres Magnetfeld auf den Transformator einwirkt,
wird die zusätzliche Permeabilität des Kernmaterials verändert und der Ausgang des
Transformators ändert sich.
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Wenn
Wenn das Magnetfeld ausreichend stark ist, so
fällt die Ausgangsleistung des Transformators nahezu auf Null.
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Eine grundlegende Vorrichtung, bei welcher die genannte Erscheinung
beobachtet werden kanns besteht beispielsweise aus einem Ferritkern mit einem Außendurchmesser
von 12,7 mm (0,05 inch), einem Innendurchmesser von 7,62 mm (0,03 inch) und einer
Dicke von 5,08 mm (0,02 inch), welcher mit 50 Windungen Lackdraht 52 s.w.g. (standard
wire gauge) und 10 Windungen Lackdraht 47 s.w.g. als Primärwicklung bewickelt ist.
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Diese Primärwicklung ist mit einer Hochfrequensspannungaque le mit
beispielsweise 2 MHz verbunden. Die Sekundärwicklung ist über eine Diode, beispielsweise
eine Germanlumdiode mit der Bezeichnung Ca61, mit einem Drehspul-Milliamperemeter
verbunden. Der Ausgangsstrom kann bis zu etwa 5 mA betragen.
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Bei Anntherung eines Magneten an den Kern fällt der Ausgang strom
auf rund 1 µA ab. In einem bestinsten Abstand rufen sehr kleine Bewegungen, beispielsweise
von 0,00025 mm (0,00001 inch) eine änderung des Ausgangsstroms von 1 pA hervor,
wodurch ein sehr empfindlicher Lagedetektor geschaffen wird, Durch Verwendung von
zwei Transformatoren an entgegengesetzten Enden eines Magnets kann die Empfindlichkeit
voll ausgenützt werden, indem das Meßgerät in Differenzschaltung betrieben wird.
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Wenn der Magnet, beispielsweise ein Dauermagnet, an einer Spindel
befestigt ist und mehrere Transformatoren rings, um eine zur Spindel konzentrische
Kreisbahn angeordnet sind, werden sie nacheinander erregt, wenn sich der Magnet
dreht.
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Dadurch wird ein Maß für die Winkelstellung der Welle erzielt.
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Wenn
Wenn die Anzahl von Änderungen des Ausgangswerts
Je Sekunde von irgendeinem der Transformatoren überwacht wird, wird eine Anzeige
ir absoluten Drehzahl erzielt. Wenn der Magnet oder der Transformator an der Nadel
eines Grammophon-Tonabnehmers befestigt ist, sind dle Änderungen des Ausgangsstromes
des Transformators direkt auf die Bewegungen der Nadel bezogen. Dies kann in Rundungs-
und Oberflächenmeßvorrichtungen ausgenützt werden.
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Wenn der Magnet an der Membran eines Mikrophons befestigt ist, so
wird der Ausgang des Transformators durch auf die Membran einfallende Schallwellen
moduliert.
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Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den
Figuren dargestellt.
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In Figur 1 trägt ein Rahmen 1 eine Blattfeder 2 , beispielsweise aus
Federstahl, welche durch eine Schraube 3 oder durch Nieten, Klebstoff, Lötung oder
andere zweckmäßige Mittel an demselben befestigt ist. Das freie Ende der Feder 2
trägt einen Magneten 4 und eine Kugel 5 oder ein anderes Kontaktorgan, welche beide
zweckmäßigerweise an der Feder durch einen Epoxyharzkleber 6 befestigt sein können.
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An der Basis des Rahmens ist ein magnetisierbarer Ring 7 mit der Achse
des Magneten 4 ausgerichtet befestigt und auf don Ring sind zwei Drahtspulen IX
und I2 gewickelt. Der Ring kann zweckmäßigerweise an der Basis mit einem Kleber
8 betestigt sein. Die Spule 11 wird mit einem Wechselstrom oder einem pulsierenden
Strom, beispielsweise durch einen Oszillator 9 erregt, welcher Schwingungen von
2 MHz erzeugt. Vorausgesetzt, daß der Magnet 4 rur das vom Eingangstrom erzeugte
Magnetfeld
feld ausreichend weit entfernt ist und daß die Spule
I1 in der Lage ist, die Magnetisierung des Rings zu beeinflussen, ergibt sich eine
Änderung im Magnet fluß, welcher die Ausgangs spule I2 ankoppelt. Dadurch wird eine
Spannung an den Enden der Spule 12 erzeugt, welche durch eine geeignete Schaltung
nachgewiesen werden kann. Eine solche Schaltung, welche in einer einfachen Ausführungsform
dargestellt ist, weist eine Diode 10 vom Typ CG61, AEI aus Germanium-Halbleiter,
einen Kondensator 11 mit 0,01 >iF und ein Milliamperemeter 12 auf. Wenn man als
Ring einen Ferritspeicherkernring für Rechenanlagen (Typ Mullard FX 2614, Außendurchmesser
12,7 mm bzw. 0,05 inch, Innendurchmesser 7,62 mm bzw. 0,03 inch, Dicke 5,08 mm bzw
0,02 inch) verwendet, welcher mit 10 Windungen Lackdraht 47 s.w.g. als Spule I1
und 50 Windungen Lackdraht 52 s.w.g.
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als Spule 12 bewickelt ist und mit 10 V bei 2 MHz erregt wird, wird
ein Ausgangsstrom von 5 mA im Meßgerät 12 (Typ Avo mk8) erzielt.
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Wenn ein Körper 13 näher an den Rahmen 1 in Richtung der durch den
Magneten und den Ring gehenden Linie gebracht wird, berührt er die Kugel 5 und lenkt
die Feder 2 aus> wodurch der Magnet 4 auf den Ring 7 zu bewegt wird. Das vom
Magneten erzeugte Magnetfeld durchsetzt den Ring und verändert dessen zusätzliche
Permeabilität. Dadurch wird die magnetische Kopplung zwischen den Spulen 1 und I2
vertndert und die Anzeige des Meßgeräts 12 ändert sich, wodurch dlt relative Lage
des Rahmens und des Körpers 13 angezeigt wird. Die in Figur 1 gezeigte Anordnung
hat den Nachteil, daß die Permeabilität des Ferrits sich auch mit der Temperatur
ändert und daß sich der Ausgang den Oszillators mit der Temperatur und der Netzspannung
ändert. Um diese Wirkungen möglichst
möglichst klein zu machen,
können zwei bewlckelte Ringe 7a und 7b einander gegenüber angeordnet werden, wie
in Figur 2 gezeigt. Der Ring 7b mit Wicklungen Ilb und I2b ist wie vorher an der
Basis des Rahmens 1 befestigt und der Ring 7a mit ähnlichen Wicklungen ist unterhalb
eines Arms 13a angebracht, welcher durch einen Abstandshalter oder eine Säule 14
gestützt ist, die am Rahmen 1 durch Schrauben 15 befestigt ist. D1e zwischen dem
Rahmen 1 und dem Abstandshalter 14 durch die Schrauben 15 festgelegte Blatt feder
2 erstreckt sich zwischen den Ringen 7a und 7b und trägt an ihren äußeren Ende die
Kugel 5 oder ein Khnliches Kontaktorgan. Der von der Feder 2 getragene Magnet weist
Glieder 4av 4b auf, welche auf entgegengesetzten Seiten der Feder jeweils ausgerichtet
mit den Ringen 7a, 7b vorstehen. Jede der Eingangswicklungen Ila, I1b der Ringe
empfängt Impulse oder Schwingungssignale vom Oszillator 9 und die Ausgangswicklungen
I2a, I2> sind mit einer Meß-/Anzeigeeinrichtung verbunden. Wie vorher kann jeder
Wicklungskreis Detektoreinrichtungen 10a, 11a oder 10b, 11b enthalten, welche mit
einem Meßgerät 12 mit mittlerem Nullpunkt und einer Anzeige von beispielsweise +
5Q µA verbunden sind, wobei das Meßgerät eine positive Anzeige für eine Verschiebung
des Magneten 4a, 4b in einer Richtung und eine negativc Anzeige für eine Verschiebung
in der entgegengesetzten Richtung gibt.
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Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anzeige von
Drehstellungen sind in den Figuren 3 und 4 dargestellt.
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In Figur 3 ist ein ringförmiger Ferritkern 7 (oder ein anderes magnetisierbares
Material) mit zwei Wicklungen Ijs 12, wie
wie oben beschrieben,
in einem festen Abstand von einer Welle 16 angeordnet, welche in nicht gezeigten
Lagern drehbar gelagert ist. Ein Magnet 17 ist an der Welle 16 befestlegt und bei
Drehung der Welle geht der Magnet bei einem Teil der Umdrehung nahe an dem Kern
7 vorbei. Es wird am Meßgerät 18 eine Anzeige gegeben, wenn der Magnet sich dem
Kern annähert und diese Stellung der Welle wird daher am Meßgerät angezeigt. Wenn
mehrere Kerne (welche alle mit dem gleichen Oszillator 9 verbunden sein können)
und Meßgeräte 18 in Winkelabständen rings um die Welle angeordnet sind, können mehrere
Stellungsanzeigen erzielt werden.
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Da so viele Anzeigen je Umdrehung erzielt werden, wie Kerne eingebaut
sind, bildet die Anordnung einen zwekmäßigen Drehzahlgeber mit einer Ausgangsfrequenz>-
welche genau von der Drehzahl der Welle 16 abhängt. Für diese Anwendung- wird bei
einer anderen Ausführungsform nur ein bewickelter Kern 7 (Figur 4) und eine Vielzahl
von Polen 19 am Magneten verwendet. Diese Pole 19 können alle die gleiche Polarität
oder abwechselnd entgegengesetzte Polarität aufweisen. Bei Verwendung einer Codieranlage
ist es möglich, während einer einen Umdrehung mehr Stellungsanzeigen zu erhalten,
als es der Anzahl von Polen und Kernen zusammen entsprechen würde.
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die Belspielsweise in Figur 6 gezeigt, können fünf Kerne 20, welche
in gleichen Abständen in einer krelsucheibenförmigen Platte 21 angebracht sind,
mit einem Magnet 22 mit zwei Polen 23, 24 susammenwirken, welcher frei drehbar in
der scheibenförmigen Platte auf einer in Lagern in der Platte laufenden Welle 25
gelagert ist. Die Eingangaspulen aller dieser Kerne sind in Reihe mit einem Oszillator
gewickelt und die Ausgänge aller Kerne sind zu einer logischen Resolverschaltung
zur Deutung des Ausgangscodes geführt (wenn erforderlich, das heißt
heißt
für gewisse automatische Zwecke, kann der Ausgangscode direkt verwendet werden,
aber zum Betreiben eine. Anzeigegeräts mit normalen Dezimalzahlen muß der Ausgang
decodiert werden)0 Bei Verwendung eines Binärcodes, in welchem 0 = Aus und 1 - Ein
bedeutet, ist die Rotorstellung bei 1/20 stel Drehung in der folgenden Tabelle dargestellt:
Rotorstellung 1 2 3 4 5 6 7 .8 9 10 11 12 Kernausgang A O 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0
B 1 1 1 1 0 0 0 11 1 0 0 C 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 D 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 E 1
1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 Rotorstellung 13 14 15 16 17 18 19 20 Kernausgang A 0 1 1
1 1 1 1 1 B 0 0 0 0 0 1 1 1 C 1 1 0 0 0000 D 0 0 0 1 1 1 0 0 E 1 1 1 1 0 0 0 1 Um
ein Auflösung von 1/30stol einer Umdrehung zu erzielen, kann
kann
die Fünf-Kernanordnung gemäß Figur 6 mit einem dreipoligen Magneten zusammengefaßt
werden, wie in Figur 7 gezeigt. In diesem Fall wird mit dem gleichen Binärcode die
Rotorstellung durch die folgende Tabelle wiedergegeben: Rotorstellung 1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12 13 i4 15 Kernausgang A 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 B001111000111111
C01 1100001111000 D O 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 E 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1
1 Rotorstellung 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Kernausgang A 0 0 0
0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 B 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 C 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0
0 0 0 0 D 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 E100001111O00111 nie Schaltung eine. Oszillators,
wie des Oszillators 9, wel chor zum Einbau in die oben beschriebenen Anordnungen
geeignet iits ist in Figur 5 mit üblichen Symbolen dargestelllt, welche keiner weiteren
Erläuterung bedürfen.
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Patentansprüche