DE2115012C3

DE2115012C3 - Moving iron measuring mechanism

Info

Publication number: DE2115012C3
Application number: DE19712115012
Authority: DE
Inventors: Wilhelm 7801 Umkirch Boesch; Ernst 7831 Malterdingen Zipse
Original assignee: Hellige GmbH
Current assignee: GE Medical Systems Information Technologies GmbH
Priority date: 1971-03-27
Filing date: 1971-03-27
Publication date: 1978-06-01
Also published as: DE2115012B2; DE2115012A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Dreheisenmeßwerk, insbesondere für die Aufzeichnung von Meßgrößenschwankungen, mit federgefesseitem Weicheisen-Drehanker und mit einem von den aufzuzeichnenden is Wechselstromschwankungen erregten Magnetgestell, bei dem die Luftspaltdicke zwischen den Polschuhflächen und den den Polschuhen zugekehrten Außenflächen des Ankers von dem Drehwinkel des Ankers abhängt, um Linearität zwischen dem Steuerstrom und dem Ausschlag des Ankers zu erzielen.The subject of the invention is a moving iron measuring mechanism, in particular for the recording of measured variable fluctuations, with spring-loaded soft iron swivel armature and one of the is to be recorded AC fluctuations excited the magnet frame, in which the air gap thickness between the pole piece surfaces and the outer surfaces of the armature facing the pole pieces from the angle of rotation of the armature to achieve linearity between the control current and the deflection of the armature.

Registriergeräte für schnellschwankende Meßgrößen erfordern die Hinhaltung der Linearität zwischen der Ankerauslenkung und den Amplituden der Meßgrößenschwankungen in einem Frequenzbereich bis zu mehreren 100 Hertz, so daß die Auslenkempfindlichkeit, nämlich das VerhältnisRecording devices for rapidly fluctuating measured quantities require the linearity to be maintained between the Armature deflection and the amplitudes of the measured variable fluctuations in a frequency range up to several 100 Hertz, so that the deflection sensitivity, namely the relationship

L'l
I/ L'l
I /

zwischen der Änderung Δφ des Ankerausschlags und der Änderung Al des die Meßgrößenschwankung wiedergebenden Magnetisierungsstroms konstant bleibt. Bei großer Aussteuerung wird jedoch im ss allgemeinen durch die Annäherung an den magnetischen Sättigungsbereich des Eisens diese Auslenkempfindlichkeit kleiner, und der Auslenkwinkel φ nimmt nicht mehr linear mit dem Steuerstrom /zu, vielmehr in einem kleiner werdenden Verhältnis. Gemäß der Erfindung kann dieser Mangel durch eine besondere Formgebung des Luftspaltes kompensiert werden, indem nämlich die den Anker begrenzenden Flächen nicht konzentrisch zu den Polschuhflächen verlaufen und die Krümmungsradien der Anker- und/oder (15 Polschuhflächen größer sind als die Krümmungsradien bei konzentrisch zueinander angeordneten Pol- und Ankerflächen, so daß der Luftspalt zwischen den Polschuhflächen und den Außenflächen mit steigendem Ankerausschlag sich vergrößert, wenn man die Mittelwerte der Luftspalte betrachtetremains constant between the change in Δφ of the armature output shock and the change of the Al Meßgrößenschwankung reproducing magnetizing current. In the case of high modulation, however, this deflection sensitivity generally becomes smaller as the iron approaches the magnetic saturation range, and the deflection angle φ no longer increases linearly with the control current /, rather in a decreasing ratio. According to the invention, this deficiency can be compensated for by a special shape of the air gap, namely in that the surfaces delimiting the armature do not run concentrically to the pole piece surfaces and the radii of curvature of the armature and / or (15 pole piece surfaces are larger than the radii of curvature in the case of poles arranged concentrically to one another - and armature surfaces, so that the air gap between the pole shoe surfaces and the outer surfaces increases with increasing armature deflection, if one considers the mean values of the air gaps

Diese neue erfindungsgemäße Ausbildung ist mit den Ansprüchen gekennzeichnetThis new construction according to the invention is characterized by the claims

In der deutschen Patentschrift DTPS 9 07 552 wurde zwar schon ein Dreheisensystem beschrieben, bei dem die Umfangsform des Ankers von einem Kreis abweicht. Gemäß der Lehre dieser Patentschrift wurde aber der Umfang des Ankers von einer Kurve begrenzt, die einer gegebenen besonderen Gleichung genügt Durch diese spezielle Formgebung des Ankers lassen sich verschiedene Drehmomente des Systems erzielen, je nach Anordnung und Beschallung der Spulen. Jedoch ist eine solche komplizierte Kurvenform, wie sie in der DT-PS 9 07 552 offenbart wird, fertigungstechnisch sehr aufwendig und kaum mit der gewünschten Präzision zu erreichen, wogegen beim erfindungsgemäßen Meßwerk nur kreisförmige Polflächen vorhanden sind. Zwar weist weiterhin das Meflwerk gemäß der DTPS 9 07 552 auch einen Luftspalt zwischen Anker und Magnetpolen ungleicher Breite aus, jedoch wird im erfindungsgemäßen Meßvverk durch eine besonders einfache Formgebung des Luftspalts die Verzerrung und die Abweichung von der Linearität der Auslenkempfindlichkeit kompensiert. In the German patent specification DTPS 9 07 552 a moving iron system has already been described in which the circumferential shape of the armature deviates from a circle. According to the teaching of this patent specification, however, the circumference of the armature was limited by a curve which satisfies a given special equation. This special shape of the armature allows different torques of the system to be achieved, depending on the arrangement and sound of the coils. However, such a complicated curve shape, as disclosed in DT-PS 9 07 552, is very expensive to manufacture and can hardly be achieved with the desired precision, whereas only circular pole faces are present in the measuring mechanism according to the invention. Although the Meflwerk according to DTPS 9 07 552 also has an air gap between the armature and magnetic poles of unequal width, the distortion and the deviation from the linearity of the deflection sensitivity is compensated in the Meßvverk according to the invention by a particularly simple shape of the air gap.

Mit dem Dreheisensystem gemäß der älteren Lehre wird also weder die Aufgabe verfolgt, eine hohe Linearität beim Ausschlag zu erhalten, noch die dafür günstige erfindungsgemäße Lösung offenbart oder nahegelegt.With the moving iron system according to the older teaching, neither the task is pursued, a high To maintain linearity in the deflection, or the advantageous solution according to the invention or disclosed suggested.

Mit den Fig. 1 und 2 sind die beiden grundsätzlichen Möglichkeiten der erfindungsgemäßen Form eines Drehmagnetsystems verdeutlicht. Magnetgestelle, wie sie für die Anwendung der Erfindung besonders geeignet sind, sind beispielsweise in den deutschen Patentschriften 8 44 484, 9 70 573 und 10 11511 beschrieben. Sie haben in bezug auf die Permanenterregung, die durch die Flußlinien 20, 21 gestrichelt dargestellt ist, unmittelbar nebeneinanderliegende Pole 3' und 4' gleichnahmiger Polarität, z. B. der Polarität N, und ein weiteres diametral zur Ankerdrehachse 2 gegenüberliegendes Polschuhpaar 5' und 6' der anderen Polarität, hier also der Polarität 5, während durch geeignet zusammengeschaltete Erregerspulen 9,10 und 11,12 in jedem Polschuhpaar ein Steuerfluß 22 bzw. 23 (strichpunktiert dargestellt) erzeugt wird, der sich dem Permanentfluß des einen Polschuhpaares hinzu addiert (Polschuhe 4' und 6') und im anderen Polschuhpaar (3' bzw. 5') vom Permanentfluß subtrahiert, so daß sich in einem gegenüberliegenden Polschuhpaar (4' und 6') die Flußdichte der magnetischen Induktion verstärkt, in den beiden anderen aber vermindert, ein verstärktes Drehmoment auf den Anker ausgeübt wird und von den beiden anderen gegenüberliegenden Polschuhpaaren 3' und 5' ein vermindertes Drehmoment. Durch die Differenzwirkung wird somit der Anker je nach dem Wechsel des Steuerflusses hin- und hergedreht. Zur Veranschauiichung sind die Jochteile 24 und 25 des Permanentmagnetsystems nach links und rechts herausgezeichnet, obwohl sie real hinter bzw. vor der Zeichenebene liegen.With FIGS. 1 and 2, the two basic possibilities of the form of a rotary magnet system according to the invention are illustrated. Magnetic frames, as they are particularly suitable for the application of the invention, are described, for example, in German patents 8 44 484, 9 70 573 and 10 11511. You have with respect to the permanent excitation, which is shown in dashed lines by the flux lines 20, 21, directly adjacent poles 3 'and 4' of the same polarity, z. B. the polarity N, and another pole piece pair 5 'and 6' diametrically opposite to the armature axis of rotation 2 of the other polarity, here polarity 5, while a control flux 22 or 23 (shown in phantom), which is added to the permanent flux of one pair of pole shoes (pole shoes 4 'and 6') and subtracted from the permanent flow in the other pair of pole shoes (3 'or 5'), so that in an opposing pair of pole shoes (4 'and 6') the flux density of the magnetic induction is increased, but in the other two it is reduced, an increased torque is exerted on the armature and a reduced torque is exerted by the two other opposing pole piece pairs 3 'and 5'. Due to the differential effect, the armature is rotated back and forth depending on the change in the control flow. To illustrate, the yoke parts 24 and 25 of the permanent magnet system are drawn out to the left and right, although they actually lie behind or in front of the plane of the drawing.

Die Steuerflüsse 22 und 23 werden vorzugsweise mitttls Gegentaktverstärker für die aufzunehmenden Meßgrößen erzeugt. Bei größeren Signalamplituden wird allmählich der Sättigungspunkt des Eisenmaterials erreicht, so daß dann die Proportionalität zwischen der Auslenkung und der Signalamplitude nicht mehrThe control flows 22 and 23 are preferably used by means of push-pull amplifiers for the Generated measured quantities. With larger signal amplitudes, the saturation point of the ferrous material gradually becomes reached, so that then the proportionality between the deflection and the signal amplitude no longer

vorläge, wenn nicht durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen diese Abweichung kompensiert würde.would exist if this deviation were not compensated for by the measures according to the invention.

Die gewünschte Erhaltung der Linearität und eine weitgehende Unabhängigkeit vom Ankerausschlag ergibt sich überraschenderweise nach dem Gedanken der vorliegenden Erfindung durch eine solche Formgebung der die Luftspalte 13, 14 zwischen dem Anker 1 und den Polschuhen 3', 4', 5' und 6' begrenzenden Flächen 3,4,5,6 bzw. 1 a, 1 b der Polschuhe und/oder des Ankers, dt.C die Krümmungsradien im Vergleich zu dem Abstand dieser Flächen von der Ankerdrehachse 2 größer sind, indem entweder die Krümmungsmittelpunkte 15 und 16 für die Polschuhflächen 3 und 4 bzw. 5 und 6 oder die Krümmungsmittelpunkte 7 und 8 für die beiden Ankerflächen exzentrisch zur Ankerdrehachse 2 und über sie hinaus versetzt angeordnet sind. Dadurch wird — wie besonders aus F i g. 2 ersichtlich — mit zunehmendem Auslenkwinkel die Luflspaltlänge unsymmetrisch verändert, und zwar wird auf der Polschuhseite, auf der sich der permanente magnetische Fluß und der Steuerfluß additiv überlagern und den Gesamtfluß vergrößern, die Luftspaltlänge im Mittel größer, die Länge der Luftspalte gegenüber den beiden anderen Polflächen dagegen kieiner. Die Folge ist, daß sich die Gleichgewichtslage des Ankerausschlags, die sich durch den geringsten magnetischen Widerstand auszeichnet, zu einem höheren Ausschlag hin verschiebt, um die mit der Luftspaltvergrößerung verbundene Erhöhung des magnetischen Widerstandes auf der Seite der Ausler.krichtung und die Verminderung des magnetischen Widerstandes auf der anderen Seite durch eine entsprechende Vergrößerung der von dem magnetischen Fluß durchdrungenen Ankeraußenflächen kompensieren zu können.The desired preservation of linearity and a high degree of independence from the armature deflection results surprisingly according to the idea of the present invention by such a shape of the surfaces delimiting the air gaps 13, 14 between the armature 1 and the pole pieces 3 ', 4', 5 'and 6' 3, 4, 5, 6 or 1 a, 1 b of the pole pieces and / or the armature, dt.C the radii of curvature compared to the distance between these surfaces from the armature axis of rotation 2 are greater by either the centers of curvature 15 and 16 for the Pole shoe surfaces 3 and 4 or 5 and 6 or the centers of curvature 7 and 8 for the two armature surfaces are arranged eccentrically to the armature axis of rotation 2 and offset beyond it. As a result, as is particularly evident from FIG. 2 - with increasing deflection angle the air gap length changes asymmetrically, namely on the pole shoe side, on which the permanent magnetic flux and the control flux are additively superimposed and increase the total flux, the air gap length is larger on average, the length of the air gap compared to the other two pole faces on the other hand, no. The result is that the equilibrium position of the armature deflection, which is characterized by the lowest magnetic resistance, shifts to a higher deflection in order to increase the magnetic resistance on the side of the Ausler.krichtung associated with the enlargement of the air gap and to reduce the magnetic resistance on the other hand to be able to compensate by a corresponding enlargement of the armature outer surfaces penetrated by the magnetic flux.

Dieser Effekt führt in der Tat bei geeigneter Bemessung der Krümmungsverhältnisse zu einer Erhaltung der Linearität des Ankerausschlags über einen weiten Aussteuerungsbereich. In der Ausführungsform gemäß F i g. 1 sind die Krümmungsradien der Ankeraußenflächen la und \b erfindungsgemäß vergrößert gegenüber dem Abstand zur Drehachse 2. während bei der Ausführungsform nach Fi g. 2 die Krümmungsradien der Polschuhflächen 3, 4, 5 und 6 gegenüber ihrem Abstand von der Ankerdrehachse 2 vergrößert sind. Beide Maßnahmen können auch miteinander kombiniert sein. Grundsätzlich wird dadurch die gleiche Wirkung erzielt. Die erfindungsgemäße Formgebung des Ankers 1 oder/und der Polschuhe 3', 4', 5' und 6' erspart andere aufwendige Maßnahmen zur Erzwingung der Linearität des Ausschlags, so daß die praktische Bedeutung der Erfindung außer Zweifel steht.If the curvature ratios are suitably dimensioned, this effect actually leads to the linearity of the anchor deflection being maintained over a wide modulation range. In the embodiment according to FIG. 1, the radii of curvature of the armature outer surfaces la and \ b are enlarged according to the invention compared to the distance from the axis of rotation 2. while in the embodiment according to FIG. 2, the radii of curvature of the pole shoe surfaces 3, 4, 5 and 6 are enlarged in relation to their distance from the armature axis of rotation 2. Both measures can also be combined with one another. Basically the same effect is achieved in this way. The shape of the armature 1 and / or the pole shoes 3 ', 4', 5 'and 6' according to the invention saves other costly measures for enforcing the linearity of the deflection, so that the practical significance of the invention is beyond doubt.

Hicr/u I UliitlHicr / u I Uliitl

Claims

Patent claims:

1. Moving iron measuring mechanism with soft armature and a magnetic frame with preferably four magnetic poles arranged around the axis of rotation and unequal air gaps between the magnetic poles and the soft iron armature, characterized in that the surfaces (la, Xb) delimiting the armature are not concentric to the pole shoe surfaces (3, 4, 5, 6) and that the radii of curvature of the armature and / or pole surfaces are greater than the radii of curvature in the case of pole and armature surfaces arranged concentrically to one another. IS

2. Moving iron measuring mechanism according to claim 1, characterized in that the center of curvature points (7,8) for the two anchor surfaces (la, Xb) are arranged eccentrically to the armature axis of rotation (2) and offset beyond them. _2n

3. Rotary magnet system according to one of claims 1 and 2, characterized in that the centers of curvature (15, 16) for the pole shoe surfaces (3, 4, 5, 6) are arranged eccentrically to the armature axis of rotation (2) and offset beyond them. is