DE2014454C - Meßumformer zur Messung des Be trags und der Richtung der Relativge schwindigkeit zwischen zwei beweglichen Anordnungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrilft einen Meßumformer zur Messung des Betrags und der Richtung der Relativgeschwindigkeit zwischen zwei beweglichen Anordnungen, mit einem ferromagnetische!! Kern und einem Joch, die jeweils an einer der beiden Anordnungen befestigt sind, wobei der Kern abwechselnd in gleichem Abstand zueinander angeordnete magnetische Unstetigkeitsstellen hat und das Joch zwei magnctfeldabhängige Widerstände aufweist, die an die Anschlüsse einer Gleichstromquell·.· und an den Hmu;:im eine·; elektronischen Gerätes angeschlossen sinil.

Bereits bekannte verschiedene Potentiometer- oder

Differentialverschiebungs-Meßumformer sind nur für kleine Verschiebungen einsetzbar, die im günstigsten Fall höchstens lü cm betragen können, und für ziem- !ich begrenzte Relativgeschwindigkeiten.

Es ist bereits ein Meßumformer der eirgangs genannten Art bekanntgeworden (vgl. deutsche Auslegeschrifi 1 278 121), mit dem aber nur der Betrag von Relativgeschwindigkeiten meßbar ist. Im einzelnen handelt es sich dabei um einen Drehzahl- oder Umlaufzähler mit magnetfeldabhängigen Halbleiterkörpern, die im Luftspalt zwischen Stator und Rotor eines Permanentmagnetkreises angeordnet sind, wobei der Stator ein Permanentmagnet mit angesetzten Polschuhen ist, die als Längsabschnitte eines Hohlzylinders ausgebildet sind, während der Rotor aus mindestens einem weichmagnetischen Zahnrad bestellt, das in den hohlzylindrischen Raum zwischen den Polschuhen um die Hohlzylinderachse drehbar eingepaßt ist, und wobei auf mindestens einen der Polschuhe pro ZahnniJ je ein magnetfeldabhängiger Widerstand fest aufgesetzt ist, ferner die (bezüglich der Hohlzylinderform) azimutale Breite dieses PoI-schuhs etwa ebenso groß ist wie die Breite des aufgesetzten magnetfeldabhängigen Widerstands und schließlich dieser Widerstand in einen elektrischen Kreis mit einem Zählwerk eingeschaltet ist.

Ein dazu ähnlicher bekannter Meßumformer (vgl. deutsche Auslegeüchrift 1 268 399) gestattet ebenfalls nur. die Relativwinkelgeschwindigkeit zu messen, nicht jedoch deren Richtung. Dabei ist ein Topfmagnet \orgesebcn, dessen ortsfester Mantel über seinen drehbaren Deckel vorgezogen ist. Der Topfmagnet hat einen permanenten Mittelschcnkel. während der Deckel an seinem Umfang Zähne besitzt, die also als magnetische Unstetigkeitsstellen wirken und bei der Drehung des Deckels eine pulsierende Span nung in einem Hallgenerator erzeugen, der in dem Luftspalt zwischen dem Deckel und dem Mantel des Topfmagneten am Mantel befestigt ist.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Meßumformer der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem einerseits sowohl der Betrag als auch die Richtung der Relativgeschwindigkeit meßbar sind und andererseits diese Messungen sowohl für Translations- als auch für Winkelrelativgeschwindigkeiten durchführbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden magnetfeldabhängigen Widerstände auf mindestens einem Magnet mit vorgebbarem Abstand voneinander in Relativbewegungsrichtung angeordnet sind.

Demgegenüber ist bisher lediglich eine Vorrichtung zur Bestimmung der Drehzahl und der Drehrichtung bzw. der Winkellage eines Drehkörpers bekanntgeworden (vgl. deutsche Auslcgcschrift 1234 074), die wenigstens zwei Abtaster hat, die an je einen Modulator angeschlossen sind und den Modulatoren um 90 gegeneinander phasenverschobene erste Spannimgcn liefern mit einer Frequenz, die der Drehzahl des Drehkörpers proportional ist, wobei die beiden Modulatoren durch eine Wechselspannungsquelle mit je einer weiteren zweiten Wechselspannung gespeist werden, die ebenfalls um 90 ' gegeneinander ph äsenverschoben sind, und wobei die Ausgänge der beiden Modulatoren zur Bildung eines die Drehung und Drelirichtung bzw. Winkellage anzeigenden Signals miteinander verbunden sind. Diese bekannte Vorrieh-

tang vorwendet jedoch keine magnett'eldahhängigen Widerstände.

Die Erfindung wird dadurch weitergebildet, daß nur eine Gleichstromquelle und nur ein elektronisches Gerät vorgesehen sind.

F.s ist allerdings nicht mehr neu (vul. deutsche ■Xuslegesehrift 1 291)341), daß ein kontaktloser Meßumformer mit einer magnetfeldabhängigen HaIbieiteisonde. auf die ein konstantes Magnetfeld und .in von der örtlichen Lage eines oder mehrerer magnetischer Körper he-rührendes Magnetfeld einwirkt, bei dem im einzelnen zwei den gleichen ' irundwiderstand besitzende, inagnetfeldabhängige Halbleiteranteilc der Sonde in eine Widerstandsmelibrikke eingeschaltet und in zwei Luftspalte eines Permanentmagnetkreises derart eingesetzt sind, daß .iiif die beiden Halbleiteranteile gegensinnige Magnet-■■ider gleicher absoluter Cjröße einwirken, so daß ;cr Diagonalstrom der Brückt; als Mab für die temrcraturunabhängige Differenz der Widerstände der neiden Halbleiteranteile dient. Es ist also ersichtlich, -laß dort an Stelle nur eines magnetfeldabhängigen Widerstands zwei derartige Widerstände allein desegen verwendet werden, um den gesamten Meßumformer temperaturunabhängig zu machen.

Die Erfindung wird dadurch weiter ausgestaltet, kill der Kern durch einen Stab mit Bunden und Ringnuten gebildet ist. oder dadurch, daß der Kern ein Gewindestab ist.

Eine besonders platzsparende weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Meßumformers besteht darin, daß der Kern ein llexibles Bunl ist. das mit einer Reihe von Löchern versehen ist.

Es ist auch unmittelbar ersichtlich, daß so ausgestaltete erfin.dung.igemüße Meßumformer eine Messung der Relativgeschwindigkeit auch dann erlauben, wenn die zugrunde liegenden Relativ, erschiebungen zwischen den beider, beweglichen Anordnungen verhältnismäßig groß sind, z. B. einige Nieter betragen.

Zur Messung von Relativgescliv.'iudigkeiten empfiehlt es sich, daß der Kern eine Drehscheibe ist, die an ihrem Umfang gleichmäßig getrennte Einschnitte hat.

Schließlich win! eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Meßumformers dadurch erzielt, daß der Kern ein flexibles Band ist, das zwei Reihen Löcher aufweist, und daß je /.wei benachbarte Löcher der beiden verschiedenen Reihen gegeneinander versetzt sind und daß die beiden Widerstände auf der gleichen Linie senkrecht zur Relativbewegungsrichtung jeweils auf eine Reihe von Löchern des Kerns zeigend angeordnet sind.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 mti Längsschnitt in Relativgeschwindigkeitsrichtung ein Ausgestaltungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßumformers,

F i g. 2 das Schaltbild einer Stromversorgung von magnctfeldabnangigen Widerständen des Meßumformers von Fig. 1_;

F i g. 3 das Blockschaltbild eines zum Meßumformer gehörenden elektronischen Geräts,

Fi g. 4 den zei'.'.khcn Verlauf der vom Meßumformer für eine Rclativgeschwindigkeitsrichtung abgegebenen Signale,

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der gleichen Signale für die andere Relativgeschwindigkeitsrichtung, F i g. Ci bis 8 abgewandelte Ausgestiiltungsbeispiele des erfindungsgemäßen Meßumformers und

F i g. ° ein Beispiel für die Anwendung des erfindungsgemäßen Meßumformers.

In F i g. 1 ist ein erstes Ausgesialtungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßumformers abgebildet, der zur Messung des Betrags und der Richtung der Relativgeschwindigkeit zwischen zwei beweglichen Anordnungen dient.

ίο Dieser Meßumformer hat in der Hauptsache einen Kern 1 und ein Joch 2, die an einer ersten bzw. zweiten Anordnung (nicht abgebildet) befestigt sind, die gegeneinander beweglich sind und deren Relativgeschwindigkeit gemessen werden soll.

Der Kern 1 und das Joch 2 können an einer bewe'_rV;ehen oder einer ortsfesten Anordnung befestigt sein. Die beiden Anordnungen können auch gleichzeitig, jedoch mit unterseil.,.-dlichen Geschwindigkeiten beweglich sein.

so Der Kern 1, der aus einem Magnetwerkstoff besteht, hat die Form eines starren Stabs, der aufeiranderl'olgend Bunde 3 und Ringnuten 4 trägt, die jquidistant zueinander augeordnet sind, wobei der Abstand /wischen zwei Bunden oder zwei Ringnuten gleich ρ ist. (Die gleiche Funktion würde auch mit einem Gewindestab der Ganghöhe ρ erreicht werden.) Die Größe des Abstands ρ hängt von der /u erreichenden Meßgenauigkeit ab. Sie kann etwa 1 bis 2 mm betragen, wenn eine große Genauigkeit notwendig ist, sie kann jedoch auch einen wesentlich größeren Wert für sehr große Relativgeschwindigkeiten ausmachen, die weniger genaue Messungen benötigen.

Der Stab 1 ist in einer Aussparung 5 des Jochs 2 hin- und herschiebbar. Im Joch 2 ist ein Magnet 6 eingebettet, dessen Kraftlinien senkrecht zum Kern 1 verlaufen, und auf dem Magnet 6 sind zwei magnetfeldabhängige Widerstände 7 und 8 angeklebt, deren Abstand, gemessen in Richtung ihrer Achsen, entlang

der Relativgeschwindigkeitsrichtung gleich 3 p/4 ist. (Allgemein ausgedrückt, der Abstand zwischen den beiden magnetfeldabhängigen Widerständen kann gleich einem beliebigen ungeradzahligen Vielfachen des vierten Teils des Abstands sein.) Es ist ersichtlich, daß die magnetfeldabhängigen Widerstände einem variablen Magnetfeld entsprechend der Relativstellung ausgesetzt sind, die sie gegenüber dem Kern 1 einnehmen. Einer eier magnetieldabhängigen Widerstände befindet sich in einem

maximalen Magnetfeld, wenn seine Achse mit der Mitte eines der Bunde 3 zusammenfällt und in einem minimalen Magnetfeld, wenn seine Achse mit der Mitte einer der Ringnuten 4 zusammenfällt. Nun weiß mar ferner, daß der (ohmsehe) Widerslandswert von magnetfeldabhängigen Widerständen von dem Magnetfeld abhängt, in dem sie sich befinden. Wenn man also parallel die beiden magnetfeldabhängigen Widerstände durch eine Gleichstromquelle- versorgt, entsteht an den Anschlüssen der

beiden Wiucrstände eine Potcntialdiffcrenz, die von der Lage des Kerns 1 im Joch 2 abhängt.

Zu diesem Zweck sind, wie Fig. 2 zeigt, die magnetfeldabhängigen Widerstände 7 und 8 in Serie mit Widerständen 10 bzw. U geschaltet und parallel durch eine Gleichstromquelle 9 versorgt.

Wenn der Kern 1 im Innern des Jochs 2 verschoben wird, werden die beiden magnetfeldabhängigen Widerstünde um ^l)0' phasenverschobenen Schwan-

klingen des Magnetfelds unterworfen, und die Span- eine ungerade Anzahl von einem Vk₁IcI des Ab-

nungeu an den Anschlüssen s,. .s, der magnetfeld- stands /> getrennt, z. IJ. (2 k > l)/>/4.

abhängigen Widerstände variieren ebenfalls um 90" Die magnetfeldabhängig!! Widerstände 16 und 17

phasenverschoben mit einer Periode entsprechend werden in gleicher Weise wie die magnetfcldabhän-

dem Abstand/'. Hs genügt jetzt, diese Spannungen S gigen Widerstände 7 und 8 des Meßumformers von

in ein angeschlossenes elektronisches Gerät ein- I·'i g. I mit Strom versorgt.

Zuspeisen und sie geeignet zu verarbeiten, um die In F ig. 7 ist ein anderes Ausfiihrungsbeispiel des

Relativgeschwindigkeit hinsichtlich Beirag und Rieh- Meßumformers mit einem Band abgebildet. In die-

tung oder Vorzeichen zwischen den beiden gegen- scm Fall hat ein Band 20 zwei Lochreihen 21 und

einander beweglichen Anordnungen zu bestimmen. io 22, wobei die Löcher jeder Reihe um einen Ab-

Ein Ausfiihrungsbeispiel des elektronischen Geräts stand ρ voneinander getrennt sind. Außerdem ist ein

ist in Fig. 3 abgebildet. Loch 21 gegen ein Loch 22 um eine ungerade Zahl

Das Gerät hat zwei identische Kanäle, die an die von einem Viertel des Abstands versetzt. Magnet-

Ausgangsanschlüsse .V₁, .V₂ des Meßumformers ange- feldabhängige Widerstände 23 und 24 befinden sich

schlossen sind und jeweils einen Rcgencrativvcrstär- 15 also auf der gleichen Querlinic, auf der sie wirksam

ker A₁ bzw. A₂ und eine bistabile Schaltung B₁ bzw. Schwankungen des Magnetfeldes um 90" phascn-

B₂ mit zwei Eingängen haben. Der Ausgang des Vcr- verschoben ausgesetzt sind.

stärkers A_x ist direkt an einen Hingang der Schal- In Fi g. 8 ist ein anderes Ausgestaltungsbeispiel des

tungB, angeschlossen, während der Ausgang des crfindungsgemäßen Meßumformers gezeigt, wobei

Verstärkers A₃ direkt mit einem Hingang der bi- ao der Kern durch eine Drehscheibe 25 gebildet ist, die

stabilen Schaltung B₂ verbunden ist. Differentiations- gleichmäßig um einen Winkel r getrennte Einschnitte

schaltungen C₁ bzw. C₂ sind zwischen die Ausgänge 26 hat. Die Drehscheibe dreht sich vor einem Joch

der Schaltungen A, bzw" A., und die anderen Hingänge 27, das mit zwei magnetfeldabhängigen Widerständen

der bistabilen Schaltungen B₂ bzw. B₁ geschaltet. 28 und 29 versehen ist, die an Magneten 30 bzw. 31

Die Ausgänge der bistabilen Schaltungen B, und 25 befestigt sind, deren Achsen durch die Mitte der

ß„ sind an die Eingänge eines Mischdiskriminators D Drehscheibe 25 laufen und zwischen sich einen Win-

angeschlosscn, dessen Ausgang 5 mit den Anschlüs- kel von 3 r/4 bilden,

sen eines Registriergalvanometers G verbunden ist. Der zuletzt beschriebene Meßumformer kann un-

Dic zeitliche Entwicklung der Signale iiii clek- abhängig tut Messung einer Winkelrelativgcschwin-

tronischen Gerät entsprechend der Relativgcschwin- 30 digkcit oder einer Translationsrclativgeschwindigkcit

digkeitsrichtung ist in Fig. 4 bzw. 5 zu sehen. dienen. Es versteht sich, daß die Einschnitte durch

Signale a_x und a.„ die im wesentlichen sinusförmig eine Reihe von gleichmäßig getrennten Löchern auf

sind, werden von den magnctfcldabhängigen Wider- dem gleichen Umfang der Drehscheibe ersetzt werden

ständen 7 und 8 abgegeben und durchlaufen zuerst können, wobei die magnctfcldabhängigen Wider-

dic beiden parallelen Kanäle, wo sie von den Rcgene- 35 stände sich jetzt senkrecht zur Drehscheibe befinden,

rativverstärkcrn A_x. A₂ verstärkt und dann rcgene- also gegenüber den Löchern.

ricrt werden, um in Rcchtccksignale λ, bzw. <v., um- Für alle Ausführungsbeispicle des Meßumformers

gesetzt zu werden. ist das elektronische Gerät zur Verarbeitung der Si-

Dic Signale ^₁ und-v., werden durch die Diffcrcn- gnale das gleiche wie das für das erste Ausführungs-

tiationsschaltungen C₁ und C₂ in Signale λ,' und <\.,' 40 beispiel beschriebene.

umgesetzt, wonach die Signafc \,, i\.,' einerseits und In Fig. 9 ist ein Anwendungsbeispiel des erfin-

<v,. λ,' andererseits die beiden bistabilen Schaltungen diingsgcmäßen Meßumformers gezeigt. Hs handcll

B₁ und B₂ ansteuern, die so geschallet sind, daß für sich dabei um einen Schleuderstoßversuch eines

eine Rclätivgcschwindigkeitsrichtung nur eine der Kraftfahrzeugs. Ein derartiger Versuch dient dazu

bistabilen Schaltungen, z. B. die Schaltung B₂. ein 45 das Verhalten eines Kraftfahrzeugs und seiner In

Signal b„ am Ausgang abgibt, während für die an- sassen während eines Unfalls zu untersuchen. Zi

dere Rcialivgeschwindigkeitsrichtung allein die an- diesem Zweck ist eine Testpuppe/¹ am \ latz de;

dere bistabile Schaltung, z.B. die Schaltung B,, am Fahrzeuglcnkcrs in einem Fahrzeug V angebracht

Ausgang ein Signal ö, abgibt. das durch irgendeine bekannte Einrichtung gegen eii

Das Signal b\ oder b., wird dann in den Misch- 50 festes Hindernis geschleudert wird,

diskriminator D eingespeist, der die Erzeugung von Es ist nun notwendig, sehr genau einerseits dii

Impulsen S_x bzw. 5., entsprechend der Relativ- Geschwindigkeit des Fahrzeugs bei Anzeige des Zeit

geschwindigkeitsrichtung gestattet. Die so erzeugten punkts der Richtungsumkehr nach dem Aufprall un<

Impulse unterscheiden sich in ihrer Amplitude und andererseits die Rclativverschiebungcn gewisser Ab

können direkt das Registriergalvanometer G an- 55 schnitte der Testpuppe relativ zum Fahrzeug oder be

steuern. stimmler Punkte des Fahrzeugs relativ zu den an

In Fig. 6 ist eine Abwandlung des Ausführungs- deren zu kennen. Zu diesem Zweck benutzt mai

beispiels gezeigt, bei der der Kern durch ein flexibles mehrere Meßumformer.

Band 12 aus Stahl gebildet ist, das einen Bereich von Ein Meßumformer 32 wird zur Messung der Vei

Löchern 13 aufweist, die gleichmäßig um einen Ab- 60 Schiebung des ganzen Fahrzeugs verwendet. In die

stand ρ getrennt sind. scm Fall ist das Band am Erdboden befestigt, wall

Das Band 12 durchläuft ein Joch 14 über eine rend das Joch am Fahrzeug befestigt ist. Ein MeC

Öffnung 15, wobei sich im Innern gegenüber der umformer 33 dient dazu, die Verschiebungen de

Reihe von Löchern 13 zwei magnetfeldabhängige Kopfes der Testpuppe relativ zum Fahrzeug ζ

Widerslände 16 und 17 befinden, die auf Magneten 65 messen: ein Meßumformer 34 mißt die Verschicbui

18 und 19 aufgeklebt sind. gen des Brustkorbs relativ zum Armaturenbrett; un

Die Achsen dei magnelfcldabhängigen Wider- ein Meßumformer 35 mißt das Eindringen der Lcnl

stände sind wie beim ν οι hergehenden Beispiel um säule.

I licrzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Meßumformer zur Messung des Betrags und der Richtung der Relativgeschwindigkeit zwischen zwei beweglichen Anordnungen, mit einem ferromagnetisclien Kern und einem Joch, die jeweils an einer der beiden Anordnungen befestigt sind, wobei der Kern abwechselnd in gleichem Abstand zueinander angeordnete magnetische Unstetigkeitsstellen hat und das Joch zwei magnetfeldabhängige Widerstände aufweist, die an die Anschlüsse eiⁿor Gleichstromquelle und an den Hingang eines elektronischen Gerätes angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden magnetfeldabhängigen Widerstände (7, 8) auf »:i ndestens einem Magnet (6) mit vorgebbarem Abstand voneinander in Reluthbewegungsrichtung angeordnet sind.

2. Meßumformer nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß nur .'ine Gleichstromquelle und nur ein elektronisches Gerät vorgesehen sind.

3. Meßumformer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) durch einen Stab mit Bunden (3) und Ringnuten (4) gebildet ist.

4. Meßurr.fc.rmer nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) ein Gewindestab ist.

5. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein flexibles Band (12) ist. das mit einer Reihe von Löchern (13) versehen ist.

Ct. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern eine Drehscheibe (25) ist. die an ihrem Umfang gleichmäßig getrennte Einschnitte (26) hat.

7. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern eine Drehscheibe ist, die eine Reihe von Lüchern aufweist, die gleichmäßig auf einem K-eis angeordnet sind, dessen Mitte mit der Achse der Drehscheibe zusammenfällt.

8. Abwandlung des Meßumformers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (20) ein flexibles Band ist. das zwei Reihen Löcher (21, 22) aufweist, und daß je zwei benachbarte Löcher der beiden verschiedenen Reihen gegeneinander versetzt sind und daß die beiden Widerstände (23, 24) auf der gleichen Linie senkrecht z.ur Relativbcwegimgsrichtung jeweils auf eine Reihe von Löchern (21, 22) des Kerns (20) zeigend angeoidnet sind.