DE19828372C2 - Vorrichtung zum Messen von Dreh- oder Linearbeschleunigungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Dreh- oder Linearbeschleunigungen eines aus nicht-magnetischem, elektrisch leitendem Material bestehenden Meßmittels, das senkrecht vom Feld eines mindestens einen Permanentmagneten aufweisenden Magnetkreises durchsetzt wird, wobei der Magnet an einem Weicheisentragkörper befestigt ist, der zwei über einen Rücken miteinander verbundene Schenkel aufweist und mit Sensoren versehen ist, die bei einer Änderung der Bewegung des Meßmittels von im Meßmittel erzeugten Wirbelströmen her­ vorgerufene Signale erfassen.

Bei einer aus der DE 37 30 841 A1 bekannten Vorrichtung der vorstehenden Art mit einem im wesentlichen C-förmigen Weich­ eisentragkörper ist an jedem der einen Spalt für eine das Meßmittel bildende rotierende Scheibe begrenzenden Schenkel des Weicheisentragkörpers ein Magnet befestigt, der sich je­ weils über die gesamte Länge und Breite des ihn tragenden Schenkels erstreckt. Durch die Verwendung vergleichsweise großer Magnete erhält man ein kräftiges Magnetfeld, das in der von letzterem senkrecht durchsetzten Scheibe erhebliche Wirbelströme hervorruft, um auch bei niedrigen Drehzahlände­ rungen der Scheibe eine hinreichende Empfindlichkeit der Vor­ richtung zu gewährleisten. Ein kräftiges Magnetfeld bringt allerdings den Nachteil mit sich, daß es den Einsatzbereich der bekannten Vorrichtung einschränkt. Die Verlustleistung der in der Scheibe fließenden Wirbelströme steigt nämlich quadratisch mit der Scheibendrehzahl an, wodurch letzterer durch die Wärmeentwicklung in der Scheibe bedingte verhält­ nismäßig niedrige Drehzahlgrenzen gesetzt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der in Betracht gezogenen Art zu schaffen, die hinreichend empfindlich arbeitet und bei der die Wärmeentwicklung im Meß­ mittel auch in vergleichsweise hohen Drehzahlbereichen klein bleibt. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß einer der beiden Schenkel zwei mit jeweils einer Sensor­ wicklung versehene Pole trägt, an deren dem Meßmittel zuge­ wandten Enden zwei als Magnetfeldkollektoren ausgebildete Polschuhe angeordnet sind, die ein schmaler Spalt voneinander trennt, der quer zur Bewegungsrichtung des Meßmittels ver­ läuft, und daß in einer zentralen Vertiefung des einen Schen­ kels und/oder in jeweils einer Vertiefung eines jeden Pol­ schuhes jeweils ein Magnet angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den Vorteil, daß sie auf Geschwindigkeitsänderungen des Meßmittels empfindlich reagiert und in einem großen Drehzahlbereich einsetzbar ist. Erreicht wird der angestrebte Erfolg dadurch, daß die von den Wirbelströmen im Meßmittel erzeugten magnetischen Feldlinien aufgrund des seitlichen Überstandes der Polschuhe und der Schenkel des Weicheisentragkörpers über die Seiten des bzw. der Magneten fast vollständig erfaßt werden, man erhält folg­ lich ungeachtet der Verwendung eines verhältnismäßig kleinen Magneten auch bei kleinen Beschleunigungen hinreichend kräf­ tige Meßsignale. Darüber hinaus treten die quadratisch mit der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit zunehmenden Wirbelströ­ me ab einem bestimmten Wert verstärkt in Wechselwirkung mit dem permanentmagnetischen Feld und schwächen es derart gemäß der Lenz'schen Regel, daß nur noch ein schwaches Restfeld erhalten bleibt, das auch bei hohen Drehzahlen zu einer nur unwesentlichen Aufheizung des Meßmittels führt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einer in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsform weitere Merkmale aus den Unteran­ sprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 die Draufsicht auf den unteren Schenkel der in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten Vorrichtung und

Fig. 4 die Draufsicht auf die Polschuhe des oberen Schenkels dei in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten Vorrichtung.

In Fig. 1 ist mit 1 allgemein ein Weicheisentragkörper mit zwei über ein Joch 2 miteinander verbundenen Schenkeln 3 und 4 bezeichnet.

Der Schenkel 4 trägt zwei Pole 5 und 6 mit Polschuhen 7 und 8. Die Pole 5 und 6 sind jeweils von einem Spulenkörper mit der Sensorwicklung 9 bzw. 10 umgeben. Die Polschuhe 7 und 8 sind durch einen schmalen Spalt 11 voneinander getrennt. In dem Luftspalt zwischen dem Schenkel 3 und den Polschuhen 7 und 8 befindet sich das Meßmittel 12, das von einer nicht- magnetischen rotierenden Metallscheibe oder einem nicht- magnetischen Metallband gebildet sein kann.

Fig. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt in Richtung y durch die in Fig. 1 gezeigte Anordnung in der Ebene der Mittelachse der beiden Pole 5 und 6. Der Schenkel 3 hat, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Länge L und eine Breite B. Er weist mittig eine Vertiefung 13 mit der Länge L₁ und der Breite B₁ auf. In die Vertiefung 13 ist ein Magnet 14 eingebettet, dessen Länge 1 kleiner als L₁ und dessen Breite b kleiner als B₁ ist, so daß den Magneten 14 an seinen vier Seiten ein schmaler Luftspalt zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses umgibt. Die Oberfläche des Magneten 14 ist bündig mit der Oberfläche des Schenkels 3.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf die Polschuhe 7 und 8, die annähernd die gesamte Fläche des Schenkels 4 abdecken. Die Polschuhe 7 und 8 enthalten ebenfalls je eine Vertiefung 15a und 15b, die sich flächengleich zu der Vertiefung 13 in Schenkel 3, Fig. 3, über den Luftspalt 11 hinweg in beide Polschuhe 7 und 8 erstrecken. In die Vertiefung 15a des Pol­ schuhs 7 ist der Magnet 16a und in die Vertiefung 15b des Polschuhs 8 der Magnet 16b so eingelassen, daß ihre Magnet­ felder gleichgerichtet sind und das Magnetfeld des in der Vertiefung 13 eingebetteten Magneten 14 verstärken. Die Ma­ gneten 16a und 16b werden durch den Luftspalt 11 voneinander getrennt und sind bündig zur Oberfläche der Polschuhe 7 und 8. Die Magnete 16a und 16b haben die gleiche Breite b und unter Einbeziehung der Breite des Luftspalts 11 die gleiche Länge 1 wie Magnet 14.

Das Magnetfeld der Magnete 14 und 16a, 16b durchsetzt das Meß­ mittel 12 senkrecht und teilt sich zur Hälfte auf die beiden Polschuhe 7 und 8 auf. Bewegt sich das Meßmittel 12 in Rich­ tung +x oder -x, Fig. 1, so wird im Meßmittel 12 im Bereich zwischen den Magneten 14 und 16a, 16b eine Spannung in Rich­ tung der Magnetbreite b induziert. Diese schließt sich im Meßmittel 12 symmetrisch zum Luftspalt 11 außerhalb des Magnetfeldes kurz und ruft Wirbelströme hervor, die von magnetischen Feldlinien umgeben sind. Diese werden von dem magnetisch leitenden Material des Schenkels 3 und der Pol­ schuhe 7 und 8 praktisch vollständig abgedeckt und erfaßt, wenn das Verhältnis der Länge L des Schenkels 3 bzw. die Sum­ me aus den Längen L₂ und L₃ der Polschuhe 7 und 8 zur Länge 1 der Magnete 14 und 16a, 16b, wie im dargestellten Fall, etwa 3 : 1 beträgt. Es sollte einen Wert von 1,5 : 1 nicht unter­ schreiten. Ebenso sollte die Breite b der Magnete 14 und 16a, 16b deutlich kleiner als die Breite B des Schenkels 3 und der Polschuhe 7 und 8 sein. Auch hier ist das Verhältnis 3 : 1 anzustreben und ein Mindestwert von 1,5 : 1 sollte nicht unter­ schritten werden. Der Luftspalt zwischen dem Meßmittel 12 und dem Schenkel 3 einerseits und den Polschuhen 7 und 8 anderer­ seits ist möglichst klein zu halten. Er beträgt in der Praxis nur wenige Zehntel Millimeter.

Das bei Bewegung des Meßmittels 12 hervorgerufene magnetische Wirbelstromfeld überlagert sich dem magnetischen Feld der Magnete 14 und 16a, 16b mit der Folge, daß das Summenfeld sich nicht mehr hälftig auf die beiden Polschuhe 7 und 8 aufteilt. Geschwindigkeitsänderungen des Meßmittels 12 ändern die Auf­ teilung, so daß Spannungen u = -d∅/dt in den Sensorspulen 9 und 10 induziert werden. Die Sensorspulen 9 und 10 sind, wie all­ gemein üblich, elektrisch so untereinander verbunden, daß sich die induzierten Spannungen addieren, jedoch von magneti­ schen Feldern verursachte Störspannungen, die beide Pole 5 und 6 gleichsinnig durchsetzen, sich aufheben.

Die angestrebte Empfindlichkeit auf Bewegungsänderungen des Meßmittels 12 legt fest, ob die Vertiefung 13 mit dem Magne­ ten 14 und die Vertiefungen 15a sowie 15b mit den Magneten 16a, 16b erforderlich sind, oder ob die Vertiefung 13 mit dem Magneten 14 oder die Vertiefungen 15a und 15b mit den Magne­ ten 16a, 16b ausreichen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Messen von Dreh- oder Linearbeschleunigun­ gen eines aus nicht-magnetischem, elektrisch leitendem Mate­ rial bestehenden Meßmittels, das senkrecht vom Feld eines mindestens einen Permanentmagneten aufweisenden Magnetkreises durchsetzt wird, wobei der Magnet an einem Weicheisentragkör­ per befestigt ist, der zwei über einen Rücken miteinander verbundene Schenkel aufweist und mit Sensoren versehen ist, die bei einer Änderung der Bewegung des Meßmittels von im Meßmittel erzeugten Wirbelströmen hervorgerufene Signale er­ fassen, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Schenkel (3, 4) zwei mit jeweils einer Sensorwicklung (9, 10) versehene Pole (5, 6) trägt, an deren dem Meßmittel (12) zugewandten Enden zwei als Magnetfeldkollektoren ausgebildete Polschuhe (7, 8) angeordnet sind, die ein schmaler Spalt (11) voneinan­ der trennt, der quer zur Bewegungsrichtung des Meßmittels (12) verläuft, und daß in einer zentralen Vertiefung (13) des einen Schenkels (3) und/oder in jeweils einer Vertiefung (15a, 15b) eines jeden Polschuhes (7, 8) jeweils ein Magnet (14; 16a, 16b) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Meßmittel (12) zugewandte Fläche des Magneten (14) bzw. der Magnete (16a, 16b) mit der dem Meßmittel (12) zuge­ wandten Fläche des Schenkels (3) bzw. der Polschuhe (7, 8) fluchtet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß ein erster Magnet (14) in einer Vertiefung (13) des den Polschuhen (7, 8) gegenüberliegenden Schenkels (3) an­ geordnet ist und daß die Polschuhe (7, 8) senkrecht über der Vertiefung (13) für den ersten Magneten (14) zwei über den Luftspalt (11) hinweg auf die Polschuhe (7, 8) symmetrisch aufgeteilte, mit der Vertiefung (13) für den ersten Magneten (14) insgesamt flächengleiche Vertiefungen (15a, 15b) auf­ weisen, in die zwei durch den Luftspalt (11) getrennte Magne­ te (16a, 16b) eingebettet sind, wobei die dem Meßmittel (12) zugewandte Fläche der Magnete (16a, 16b) mit der jeweiligen Fläche der Polschuhe (7, 8) fluchtet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Schenkel (3, 4) des Weicheisentragkörpers (1) und die Gesamtlänge (L₂ + L₃) der Polschuhe (7, 8) mindestens gleich der eineinhalbfachen Länge (1) des Magnetes (14) bzw. der beiden Magnete (16a + 16b) ist und daß die Breite (B) des Schenkels (3) mindestens gleich der eineinhalbfachen Breite (b) des Magneten (14) bzw. der Magnete (16a, 16b) ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt zwischen dem Meßmittel (12) und den Polschuhen (7, 8) einerseits und dem einen Schenkel (3) des Weicheisentragkörpers (1) andererseits nur wenige Zehntel Millimeter beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Schenkel (3, 4) des Weicheisentragkörpers (1) und die Gesamtlänge (L₂ + L₃) der Polschuhe (7, 8) gleich der 2,5- bis 3,5fachen Länge (1) des Magneten (14) bzw. der beiden Magnete (16a + 16b) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B) des Schenkels (3) gleich der 2,5- bis 3,5fachen Breite (b) der Magnete (14; 16a, 16b) ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L₁) der Vertiefungen (13; 15a, 15b) nur wenige Millimeter größer als die Länge (1) des Magneten (14) bzw. der beiden Magnete (16a + 16b) ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B₁) der Vertiefung (13, 15) nur wenige Millimeter breiter als die Breite (b) des Magneten (14) bzw. der Magnete (16a, 16b) ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erfassen der Beschleu­ nigungssignale Sensor-Wicklungen (9, 10) dienen, die die Pol­ schuhe (7, 8) tragende Pole (5, 6) umgeben.