DE2211359A1 - Verfahren zur elektrischen erfassung mechanischer groessen und vorrichtungen zur ausuebung des verfahrens - Google Patents

Description

• Vrfahren zur elktrischen Erfassung mechanischer Größen und Vorrichtungen zur Ausübung des Vorfahrens Es sind bereits qine Anzahl Verfahren zur clektrischen Erfassung mechanischer Größen hckannt, bei dene die zu erfassende mechanische Größ in cine Spannung, einen Strom oder eine Frequenz umgeformt wird. Beispielsweise wird die Widerstandsänderung eines Dchnungsmeßstreifens als Maß fur die Längenänderung erfaßt und in einer Brückenschaltung oder mit ähnlichen Einrichtungen angezeigt oder als Impuls für einen Schalt- oder Regelvorgang benutzt.
• Die Annäarung von metallischen (induktiv) oder nichtmetallischen (kapazitiv) lappen oder sonstigen Körpern an Oszillatorschwingkreise wird zur Bestiiutung des Abstandes verwendet Nach Durchfahren einer bestimmten Strecke wird dabei bei den sogenannten Näherungsschaltern cin Schaltimpuls gegeben. Auch eine analoge elektrische Anzeige ist möglich. In Feldplatten wird die durch Änderung eines Permanentmagnetfeldes hervorgerufene Widerstandsänderung für die Darstellung von Weglängen Drehbewegungen oder dergleichen benutzt. Endlich wird die Drehzahl mit Hilfe von Recdkontakten als elektrischer Impuls dargestellt. Über die Frequenz der Impulse wird eine Anzeige, Steuerung oder Regelung erreicht.
• Das erfindungsgemäße Verfahrens ergänzt die bekannten Verfahren zur elektrischen Erfassung mechanischer Größen.. Es unterscheidet sich jedoch von ihnen dadurch, daß das neue Verfahren die Induktivitäts- und/oder Güteänderung einer elastisch durch die zu erfassende mechanische Größe verformten Feder zur Beaufschlagung eines nachgeschalteten elektrischen Meß-, Steuer- oder Regelkreis zur analogen und/oder digitalen Anzeige1 Steuerung oder Regelung verwendet. J>as neue Verfahrens hietet gegenüber bekannten Verfahren außerordent ii che Vorteile, insbesondere da die Beaufschlagung der Feder unabhängig von wesentlichen Umwelteinflüssen, insbesondere unabhängig von Temperatur, Art der Medien und Einbaulage erfolgen kann.
• Das Verfahren eignet sich ganz besonders füur den Einsatz in solchen Fällen, in denen bisher bekannte elektrische Meßverfahren mechanischer Größe wegen der oben erwähnten Umwelteinflüsse oder wc.gen sonstiger Schwiorigkeiten nicht verwendet werden können. Das Verfahren bictet erstmalig die Möglichkeit, am Meßort selbst mit einem iem ci einfachen, im Maschinenbau ganz all gemein gebräuclllicllen Maschinenelement, nämlich mit einer Feder auszukommen. Von dieser Feder führen bei galvanischer Ankopplung des Meßkreises lediglich zwei elektrisch voneinander isolierte Anschlüsse zu dem möglicherweise in größerer Entfernung angebrachtem Meß-Steuer- oder Regelkreis. Bei induktiver ankopplung wird eine galvanisch mit dem Meßkreis verbundene Aufnahmespule in induktive Kopplung zu der mechanisch beaufschlagten Feder gebracht. Das Verfahren ist get-ignet für die elektrische Erfassung solcher mechanischen Größen, wie sie beispielsweise durch Weg, Drucks Zug, Gewicht, Länge, Drehung oder dergleichen gegeben sind.
• Die Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens können vielgestaltig sein, ihr Aufbau richtet sich naturgemäß nach der- Art der zu erfassenden n.echanischen Größe. Es wird eine Einrichtung zur elektrischen Erfassung von Gelrichteil anders konzipiert sein als cine Einrichtung zur Erfassung von Durchströmmengen. Ebenfalls wird eine Einrichtung zuni Erfassen von Differenzdrucken wiederum anders aufgebaut seils als eine entsprechende Einrichtung zum Erfassen von Ingen. Einheitlich ist im Aufbau der Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens, daß eine oder mehrere durch Druck, Zug und/oder Drehung elastisch verformbare Spiral- oder Wendelfedern auf einen nachgeschalteten elektrischen Kreis einwirkell.
• Die Federn können mit zwei voneinander isolierten elektrischen Anschliissen an ihren Enden oder auf beschränkten Längen oder Bereichen versehen sein, die mit einem nachgeschalteten elektrischen Kreis galvanisch verbunden sind. Anstelle der galvanischen Verbindung zu dem nachgeschalteten elektrischen Kreis kann auch eine transformatorische Verbindung treten, indem die elastisch verformbaren Federn mit einer einer jeden Feder vorzugsweise zentrisch zugeordneten, galvanisch mit dem nachgeschalteten elektrischen Kreis verbundenen Spule gekoppclt sind, wobei die lnduktivitätsoder- Giitoänderung der Federn induktiv auf den nachgeschalteten elektrischen Kreis übertragen wird.
• Die Federn zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens können aus unmagnetischem metallischen Werkatoff wie Tombak, austenitische Stahl oder dergleichen hergestellt sein. In manchen Fällen ist es allerdings zweckmäßig - insbesondere bei induktiver Ankopplung Rn den elektrischen Kreis - die Federn aus ferromagnetischem Workstoff herzustellen. Um die elektrische Güteeigenschaft der Federn zu verbessern, können diese mit einem gut leitenden Überzug aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold oder aus Legicrungen der vorgenannten Stoffc versehen sein.
• Um einen Kurzschluß der Federwindungen miteinander oder einen Kurzschluß von einzelnen Federwindungen zu Gehäuseteilen zu vermeiden, können die Federn mit isolierenden Überzügen versehen scln. Diese werden zweckmäßig im Verfahren des Wirbelsinterns aufgebracht. Sie können auch durch Elektrophorese oder durch andere Verfahren hergestellt werden.
• Die vervendeten Wendelfedern können auch mit auf ihrer Längserstreckung unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet sein.
• Auch der Federdrahtquerschnitt kann verschieden satin. Die Federn können dabei konzentrisch ineinander gesetzt werden und gleichen oder entgegengesetzten Wickelsinn haben, wobei auch hier die innere Feder einen anderen -beispielsweise kleineren Drahtdurch-Liesser als die äußere Feder haben kann. Die Federn können sowohl in elelitrischer Reihenschaltung als auch in elektrischer Parallelschaltung angeordnet werden, wie es für die Beaufschlagung des nachgeschaJ'teten elektrischen Kreises am günstigsten ist.
• Sowohl bei galvaniseher Verbindung der Federn mit dem nachgeschaltetein Meßkreis als auch bei induktiver Ankopplung der Feder an eine Spule des nachgeschalteten Meßkreises können zusätzliche Feldführungskörper aus magnetischen Werkstoffen, wie Eisen, Trafoblech oder gesinterte ferritische Körper sowie aus Nickel oder seinen Legierungen hergestellt, im Bereich der Federn zur Beeinflussung der beim elastischen Verformen eintretenden -Güte-und/oder Induktivitätsänderung vorgeschen sein. Durch solche Feldführungskörper wird die Güte- und/oder Ind ult 1 vitätsänderung dsr Federn in Abhängigkeit von ihrer elastischen Verformung vergrößert, wodurch das verformungsabhängige Eingangssignal für den nachgeschalteten Meßkreis verstärkt wird.
• Die Verwertung der Güte- und/oder Induktivitätsänderung in dem nachgeschalteten elektrischen Meßkreis kann auf unterschiedlichste Weise erfolgen. Grundsätzlich sind Meß-, Regel- oder Steuerkreise für die Verwertung solcher Signale bckennt. Sie können beispielswei@e als R@@@anzkreise für Strom- oder Spannungsresonanz ausgebildet sein. Dabei können der Feder weitere Induktivitäten parallel, in Reihe oder reihen-parallel geschaltet werden. Auch die Anordnung entsprechender Kapazitäten zur Ergänzung des Kreises zum Resonanzkreise ist in Parallelschaltung, Reihenschaltung oder in Reihen-Parallelschaltung möglich Je nach Einsatzgebiet kann der Resonanzkreis als solcher für Spannungsresonanz oder für Stromresonanz ausgebildet sein.
• Anstelle eines flesonanzkreises kann der nachgeschaltete elektrische Kreis mit einer oder mehreren zusätzlichen Induktivitäten ausgerüstet und als Brückenmeßkreis ausgebildrt sein. Die Einspeisung eines solchen Meßkreises kann mit Norlualfrequenz erfolgen. Zur Verkleinerung der verwendeten elektro-technischen Bauelemente kann jedoch auch eine Einspeisung mit höherer Frequenz erfolgen. Diese kann beispielsweise im Bereich 104 bis 106 Hz liegen.
• Endlich kann der nachgeschaltete elektrische Kreis auch als Oszillatorkreis ausgebildet sein. Bei Verwendung eines solchen Ossillatorkreises wird ebenfalls vorzugsweise eine gegenüber der normalen Frequenz erhöhte Frequenz im Bereich 0,5 .105 bis 106 Hz verwendet. Dem Oszillatorkreis können Verstärkerkreise und/oder Schaltkreise zur Abgabe eines analogen oder digitalen Meßwertes nachgeschaltet sein, wie sie in der modernen Elektronik in Form von Schmidt-Triggern bekanntgeworden sind. Insbesondere können auch in integrierter Bauweise eine Oszillatorstufe, ein Schwellwertschalter und zwei antivalente Ausgangsstufen vorgesehen werden. Die Induktivitätsändei'ung der Feder oder der Federn kann auf der Eingangsseite des Oszillatorkreisess gyf.
• über einen Kondensator von 10 - 1000 nF eingegeben werden wobei die Induktivitäten sich im Bereich von 1 - 30 #H bewegen sollten Die Vorrichtungen zur Ausiibung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder folgenden bieten sich in unterschiedlichster Form und Ausführung an. Fur die Überwachung der Strömungsmcnge strömendet flüssiger und gasförmiger Medien ist die Erfindung besoijders vorteilhaft einsetzbar. Bei der Überwachung solcher Medien kommt es fast immer darauf an, daß tempetatur- und druckunabhängige Elemente Verwendurlg finden, um in dem großen Anwendungsgebiet der Strömungsüberwachung einheitlich aufgebaute und nach ein heitliciici System arbeitende Geräte verwenden zu können. Bei solchen Geräten wird ein Klappe, ein Kolben, ein Ring oder eine Platte von der Stromutlg beaufschlagt und der sich ergebende Druckabfall an diesem Element zur analogen oder digitalen Anzeige der Strömungsmenge verwendet. Erfindungsgem5 ist die. Feder das Aufnahmeglied für diesen Druckabfall, und zwar entweder als hinter dem Element angeordnete Druclcfeder, oder aber als vor dem Element angeordnete Zugfeder. Selbstverständlich kann das Element auch um einen Drehpunkt schwenkbar angeordnet sein, wobei dann das Aufnahmeglied (Feder) als Druck- oder Zugfeder oder als Spiralfeder an dem Schwenkarm angeordnet ist.
• Abb. i zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Ausübung der Erfindung für die Strömungsüberwachung, bei der in einem Durchgangsgehäuse i ein Kolben 2 angeordnet ist, der von der Feder 4 bis zum Anschlag 3 gegen die Führungshülse 5 gedrückt wird. Die Feder Je ist auf dem rückwärtigen Teil des Kolbens 2 bei 6' befestigt und mit ihrem anderen Ende 6" in das Gehäuse 1 eingepaßt, wobei sie gegen einen Absatz 7 gedrückt wird.
• Die Feder ist auf einen Teil ihrer Länge bei 8 und 9 mit elektrischen Anschlüssen versehen, die durch das Gehäuse 1 isoliert herausgefiihrt sind. In vielen Fällen kann ein Anschluß mit dem Gehäuse erbunden sein (Masse) und nur ein Anschluß isoliert herausgeführt werden. Bei Verwendung von Kunststoff-Gehäusen ist eine besondere Isolation der Leitungen nicht erforderlich. Die Feder 4 wird bei Beaufschlagung des Kolbens 2 in Richtung des Pfeiles 10 zusammengedrückt und ändert dabei ihre Induktivität. Zur Verstärkung der Induktivitätsänderung können zusätzlich die bereits vorerwähnten Formkörper aus Eisen, Ferrit-Massen oder aus laminierten Massen vorgesehen sein, die jedoch der Übersichtlichkeit halber in Abb. 1 nicht eingezeichnet sind.
• Sinngemäß kann die Einrichtung auch so aufgebaut sein, daß die im dargestellten Beispiel als Druckfeder ausgebildete Feder 4 als Zug feder bei Beaufschlagung dientt wobei sich naturgemäß eine Induktivitätsänderung in entgegengesetzter Richtung ergibt. Der Strönungskolben 2 kann mit einem Innen1o'hlrawu und nach außen fiihrenden Schlitzen versehen sein, um bei rohen Strömungsmengen den Druckabfall möglichst niedrig zu halten. Er kanal in seine vorderen Teil konisch oder abgesetzt sein. Zusätzlich können Führüngswarzen für die lijilse 5 auf dem Strömungskolben vorgesehen sein.
• Abb. 2 zeigt eine Einrichtung gemäß der Er£indung, mit der Gewichte elektrisch angezeigt werden können. Eine Platte 11 zur Aufnahme des Gewichtes ist so angeordnet, daß sie mittels dreier oder mehrerer Federn 13 auf Abstand von einer Fußplatte j5 gehalten wird. Die Platte 11, die auch als Schale oder Wanne ausgebildet sein kann, ist an ihrer Unterseite mit fest mir der Platte verbundenen Aufnahmehülsen i2 versehen, in die die ledern 13 schließend passen. Die Fußplatte 15 ist mit entsprechenden Warzen 16 ausgerüstet, die schließend in die Enden der ledern 13 hineinfassen. Die Federn 13 sind an ihren Enden bzw. auf bestimmten Abschnitten ihre Längen mit elektrischen Anschlüssen versehen, die eine Aussparung 18 der Fußplatte 15 füllen, in die der nachgeschaltete elektrische Meß-, Regel- oder Steuerkreis 17 angeordnet ist Die Federn können elektrisch iii Reihe oder paral 1 ei geschaltet sein. Von dem, vornehmlich als gedruckte Schaltungausgeführten elektrischen Kreis 17 kann ein Kabel zu einem hnzeigegenit führen, das an beliehiger Stelle anzuordnen ist.
• Die Federn 13 können zusätzlich mit konzentrisch zu ihnen liegcnden Federn 14 versehen sein, die auch entgegengesetzten Wickelsinn haben können. Die Anschlüsse zum elektrischen Meßkreis 17 können dann auf der vornehmlich aus Kunststoff hergestellten Fußplatte 15 als aufgespritzte oder aufgeklebte leitende Bänder aus Kupfer, Aluminium oder dergleichen bestehen. Auch in diesem Fall kann die bei Belastung eintretende Indulctivitäts- oder Giiteänderung der Feder durch entsprechende zusätzliche Feldführungskörper beeinflußt, d.h. verstärkt werden Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in der gewählten Darstellung solche Körper jedoch fortgelassen.
• Anstelle der Verwendung von Druckfedern kann auch die Verwendung von Zugfedern treten, indem die zur Aufnahme des Gewichtes angcordnete Platte sich nicht abstützt über die Federn, sondern an entsprechenden Federn aufgehängt ist. Endlich kann ,nst<-l le von Druck- oder Zugfredern auch eine Spiralfeder Verwendung finden, die in einer senkrecht zur Gewichtsbelastung befindlichen Ebene liegt und bci Gewichtsbelastung entsprechend verdrcht wird.
• Abb. -3 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung für die Feststellung von Weglngen. Ein Kolben 30 bowegt sich beispielsweise an einer Stange 31 in Richtung des Pfeile. 32 gegen die Kraft einer Feder 33, die am Kolben bei 34 aufgeklein,nt und in ähnlicher Form am feststeheiiden Gegenstück 35 und 36 befestigt ist. Die Anschlüsse an die Feder 33 sind bei 37 und 38 wiedergegeben. Zur Bestimmung der Änderung der elektrischen Größen kann auch hier ein Feldführungskörper 39' und zusätzlich die Feldführungskörper 39" Verwendung finden. Auch in diesem Fall kann die Druckfeder durch eine Zug feder sinngemäß ersetzt werden.
• Abb. 4 zeigt endlich eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens für die Feststellung von Differenzdrucken. Hierzu ist ein metallischer oder nichtmetallischer Faltenbalg 40 angeorndet, der auch beispielsweise durch eine Mombran ersetzt werden kann. Die Stirnfläche dieses Faltenbalges 41 wird in Richtung des Pfeiles 42 von einem Differenzdruck beaufschlagt. Die Feder 43 befindet sich im Innern des Faltenbalges 40 und ist mit seiner Stirnfläche 41 durch den Ansatz 44 verbunden. In ihrem rückwärtigen Teil ist die Feder auf den Ansatz 45 eines Festkorpers 46 geklemmt. Die Anschlüsse der Feder sind bei 47 und 48 skizzenhaft angedeutet. Bei Beaufschlagung des Faltenbalges und der Feder in Richtung des Pfeiles 42 ergibt sich eine Güte- oder Indultivitätsändenrng, die in einen nachgeschalteten nicht dargestellten Meß-, Regel- oder Steuerkreis ausgewertet wird. Auch in diesem Fall können Feldführungskörper, wie sie bei 49' und 49" dargestellt sind, verwendet werden.
• In diesem Vall ist der Feldf2hrungskörper 49' mit dem Differenzdruck beweglich und verschiebt sich in Richtung des Pfeiles 42, während der Feldführungskörper 49" ortsfest angeordnet ist. Die Feder 43 kann auch außerhalb des F.altenbalges als Zugfeder angeordnet werden.
• Die Erfindung ist in vier Anwendungsbeispielen dargestellt, Sie ist jedoch nicht auf diese Anwendungsbeispiele beschränkt, sondern sie kann überall dort Verwendung finden, wo mechanische Größen elektrisch dargestellt, geregelt und gesteßert werden sollen. Auch ist eine Kombination der angegebenen Ausführungsformen der erfinderischen Lösungen möglich.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1.) Verfahren zur elektrischen Erfassung mechanischer Größen, wie Weg, Druck1 Zug, Gewicht, Länge, Drehung oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder von der zu erfassenden mechanischen Größe elastisch verformt wird und ihre sich herbei ergebende elektrische Induktivitäts- und/oder Güteänderung über einen nachgeschalteten elektrischen Meß-, Steuer- oder Regelkreis zur analogen und/oder digitalen Anzeige, Steuerung oder Regelung verwendet wird.

   2.) Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens. nach Anspruch 1 ,-kennzeichnet durch eine oder mehrere durch Druck, Zug und/oder Drehung elastisch verformbare Spiral- oder Wendelfedern mit zwei voneinander isolierten elektrischen Anschlüssen an ihren Enden oder auf beschränkten Längen oder Bcreichen und einen nachgeschalteten elektrischen Kreis mit den die Anschlüsse galvaiiisch verbunden sind.

   3.) Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine oder mehrere durch Druck, Zug oder Drehung elastisch verformbare Spiral- oder Wendelfedern und eine jeder Feder vorzugweise zentrisch zugeordnete, galvanisch mit einem nachgeschalteten elektrischen Kreis verbundene Spule zur induktiven Ubertragung der Induktivitäts- und/oder Güteänderung der Federn auf den nachgeschalteten elektrischen Kreis.

   4.) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dan die Federn aus unmagnetischem metallischen Werkstoff wie Tombak oder austenitischem Stahl bestehen.

   5.) Vorrichtullfi nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn aus ferromagnetischem Werkstoff bestehen.

   6.) Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die federn nit einem gut leitenden Überzug nus Al, Cu, Ag, oder aus Legierungen dieser Stoffe versetzen sind.

   7.) Vorrichtung nach Anspruch 2 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrische Wendelfedern unterschiedlicher Durchmesser und gleichen oder entgegengesetzten Wickelsinns und/gleichen oder unterschiedlichem Querschnitt in elektrisclier Reihen- und/oder Parallelschaltung vorgesehen sind.

   8.) Vorrichtung nach Anspruch 2 oder folgenden, dadurch gekennzoichnet, daß die metallischen Federn mit beispielsweise wirbelgesinterten Überzügen aus Isolierstoff versehen sind.

   9.) .Vorrichtung nach Anspruch 2 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Feldführungskörper aus magnetische Werkstoffen, wie Eisen, Tratoblech oder gesinterte ferritische Körper im Bereich der Federn zur Beeinflussung der beim elastischen Verformen eintretenden Güte- und/oder Induktivitätsänderung vorgesehen sind.

   10.) Vorrichtung nach Anspruch 2 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgeschaltete elektrische Kreis unter Parallel- und/oder Reihenschaltung weiterer Induktivitäten und/oder Kapazitäten als Resonanzkreis für Strom- oder Spannungsresonanz ausgebildet ist.

   11.) Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgeschaltete elektrische Kreis mit einer oder mehreren zusätzlichen Induktivitäten als Brückenschaltung ausgebildet und mit Wechselstrom geeigneter Frequenz, vornchmlich 104 bis 106 Hz eingespeist ist.

   12.) Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der-nachgeschaltete elektrische Kreis ein Oszillator vorzugsweise höherer Frequenz im Bereich 0,5 . 105 bis 106Hz ist, dem gegebenenfalls ein Verstärker und/odel Schaltkreis zur Abgabe eines analogen oder digitalen Xoßwertes nachgeschaltet sind.

   13.) Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachullg der Strörnunqs:engen strömender flüysigor oder gasförmiger Medien mit der oder den Federn einseitig verbundene Kolben, Scheiben, Klappen oder PLatten in der Stro..lung derart vorgesehen sind, dnß die bei Strömung entstehende Druckdifforenz die Fedor(n) zusammendrückt, dehnt oder 14.) Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung von Gevichtetl ein mit der oder den Federn einscitig verbundener Träger wie eine Platte, eine Schale, eine Wanne oder dergleichen ur Aufnnlioc des Gewichtes vorgesehen ist, das die Feder(n) driickt, dehnt oder verdreht.

   15.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung von Weglängen ein den Weg durchfahrender Anschlag wie Kolben, Stab, Nocken, Haicen oder dergleichen einseitig mit einer oder mehreren Federn verbunden ist und diese entsprechend seiner durchfahrenden Weglänge unterschiedlich drückt oder dehnt.

   16.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feststellung -von Druckcn ein gas- und/oder flüssigkeitsdichter Faltenbalg vorgesehen ist, dessen Stirnfläche die als Druck- oder Zugfeder ausgebildete Feder in Abhängigkeit der anstehenden Druckdifferenz unterschiedlich drückt oder dehnt.