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Druck, Durchflußmengen- und Plüssigkeitspegelmesser sowie Positionsgeber.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Druck-, 12urchflußmengen- und
Plüssigkeitspegelmesser sowie einen Positionsgeber mit einer magnetfeldabhängigen
Widerstandsanordnung, die zwei Feldplatten enthält, die im Magnetfluß eines Dauermagneten
angeordnet sind. Die Differenz der Widerstandswerte dieser beiden Feldplatten bestimmt
das Ausgangssignal, das sich in Abhängigkeit von der Lage eines ferromagnetischen
Steuerkörpers relativ zu den beiden Feldplatten ändert.
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Es ist bekannt, durch elektrische Signalübertragung den Inhalt oder
das Niveau von Flüssigkeitstanks zur Anzeige zu bringen. Solche Verfahren arbeiten
vielfach mit Schwimmern, wobei entweder über Einzelkontakte punktweise das-Niveau
angezeigt oder über Potentiometer bzw. Regelwiderstände eine kontinuierliche Anzeige
erfolgt. In einer aus der deutschen Auslegeschrift 1276 919 bekannten Einrichtung
erfolgt die Tankinhaltsmessung bzw. die Flüssigkeitspegelmessung dadurch, daß ein
stabförmiger AuStriebskörper an einer Meßfeder aufgehängt ist und daß der kleine
Weg dieser Meßfeder auf einen elektrischen Tästindikator gebracht wird. Dieser-astindikator
zeigt die Wegverschiebungund damit den Tankinhalt in vergrößertem Maßstab an. Die
kleine Wegverschiebung des stabförmigen Auftriebskörpers wird über einen elektrischen
Indikator auf ein Anzeigeinstrument übertragen. Der Indikator enthält magnetfeldabhängige
Widerstände, deren Magnetfluß durch die sehr kleine Verschiebung eines ferromagnetischen
Elementes bzw. eines Permanentmagneten zur Anzeige gebracht wird.
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Die Verschiebung kann in der Größenordnung von nur etwa einem zehntel
Millimeter liegen. Die beiden Feldplatten arbeiten gegenläufig, so daß der Steuerkörper
den Fluß in den beiden Feldplatten entgegengesetzt ändert. Mit der Bewegung des
Steuerkörpers ändert sich allerdings auch die Entternung des Steuerkörpers von den
Feldplatten. Es entsteht nämlich ein mit der Bewegung veränderlicher Luftspalt im
Magnetfluß der Feldplatten. Mit dieser Änderung des magnetischen Widerstandes im
Magnetkreis erhält man entsprechende Reaktionskräfte. Die Abstandsänderung des Steuerkörpers
bewirkt nämlich im empfindlichen Meßbereich eine mehr als quadratische Flußänderung
in den Feldplatten.
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In einer aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1948 934 bekannten Druckmeßeinrichtung
befindet sich eine Feldplatte im Luftspalt eines Magnetkreises, der einen Permanentmagneten
enthält. Der gesamte Magnetkreis ist an einer Membran befestigt, deren Lage sich
mit der Einwirkung eines äußeren Druckes auf die Dose ändert. Entsprechend ändert
sich auch die Lage der Peldplatte im Luftspalt des Magneten, und es wird somit der
vom Fluß durchsetzte Teil der Feldplatte in Abhängigkeit vom Druck geändert. In
dieser Einrichtung ändert sich somit der Widerstand in der Feldplatte etwa proportional
mit dem Weg des Magneten. Eine ausreichende Empfindlichkeit der Einrichtung erhält
man mit einer entsprechend weichen Lagerung der Membran. Je weicher aber die Federung
der Membran ist, desto geringer ist auch die gesamte Stabilität des Magnetkreises,
der an der Membran befestigt ist.
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Diese Anordnung ist somit geeignet für verhältnismäßig hohe Drücke.
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Das gleiche gilt für eine Druckmeßeinrichtung nach der deutschen Auslegeschrift
1290 346. In dieser Anordnung ist ebenfalls eine Feldplatte im Luftspalt eines Permanentmagneten
beweglich gelagert und ihre Lage ändert sich in Abahängigkeit von einem Druck auf
das Gehäuse, das zum Teil als Federbalg ausgebildet ist. In Abhängigkeit vom Druck
wird
somit der vom Magnetfluß durchsetzte Teil der Feldplatte geändert.
Die Feldplatte ist indirekt mit dem Pederbalg verbunden. Mit der Bewegung der Feldplatte
bleibt die Größe des Luftspaltes nur dann angenähert konstant, wenn nur die nackte
Feldplatte im Luftspalt bewegt wird. Eine ausreichende mechanische Stabilität der
Feldplatte erhält man aber im allgemeinen nur durch die Anordnung der Feldplatte
auf einem Träger aus magnetisch unwirksamen Material oder zwischen zwei solchen
Trägerplatten. Mit dieser Einfassung wird die Dicke des die Feldplatte enthaltenden
Meßkörpers wesentlich erhöht.
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Er kann somit auch nur in einem entsprechend großen LUftspalt bewegt
werden, durch den die Empfindlichkeit. der Anordnung erheblich geringer wird. Eine
Vergrößerung der Länge des Lufts'paltes bewirkt nämlich eine mehr als quadratische
Verminderung des magnetischen Flusses.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den eingangs genannten
Signalgeber zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
der scheibenförmig gestaltete und bewegliche ferromagnetische Steuerkörper die Gifte
des magnetischen Rückflusses im Magnetkreis wenigstens einer ser beiden Feldplatten
ändert. Die Bewegung des Steuerkörpers ist den beiden Peldplatten so zugeordnet,
daß sein Abstand im Empfindlichkeitsbereich der Anordnung von den beiden Feldplatten
annähernd konstant bleibt. In einer Ausführungsform des Signalgebers besteht der
Steuerkörper wenigstens zuiii Teil aus Weicheisen oder aus einem Material mit ähnlichen
magnetischen Eigenschaften. Mit der Bewegung dieses Weicheisens im Feld wenigstens
einer der Feldplatten wird der Streufluß in dem Teil des Magnetkreises geändert,
in dem sich diese Feldplatte befindet. Damit ändert sich auch der Fluß in der Feldplatte
und entsprechend auch ihr Widerstandswert. Mit der Bewegung des Steuerkörpers aus
dem Streufluß der einen Feldplatte in den Streufluß der anderen wird die Einwirkung
auf den Widerstand der einen Feldplatte entsprechend geschwächt und in annähernd
dem gleichen Maße nimmt der Ein fluß auf den Widerstand der anderen Platte entsprechend
zu.
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Die Differenz der beiden Widerstandswerte dient als Stellgröße fUr
den Signalgeber. Werden die beiden Feldplatten jeweils in einem BrUckenzweig einer
Widerstandsanordnung in Brückenschaltung angeordnet, so kann an der Brilckendiagonale
eine Busgangsspannung' abgenommen werden, die ebenfalls proportional ist der Widerstandsänderung
in wenigstens einer der beiden Feldplatten.
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Zur Verminderung der Haftreibung des Steuerkörpers, der auch als Drosselklappe
oder als Schwimmer ausgebildet sein kann, wird sein Rand zweckmäßig als Kegel gestaltet,
dessen Mantel formechlüssig an der entsprechenden Auflagefläche des Behäiters für
das Medium anliegt, dessen Druck, Strömungsgeschwindigkeit oder dessen Oberflächenhöhe
gemessen werden soll.
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Der Steuerkörper kann zweckmäßig an einer Welle befestigt sein, die
in Strömungsrichtung des Mediums angeordnet und an beiden Enden gelagert ist. Zur
Lagerung der Welle sind vorzugsweise Spitzenlager geeignet. Der Reibungswiderstand
der Auflage des Steuerkörpere und der Lagerung der Welle kann zusätzlich noch dadurch
vermindert werden, daß das strömende Medium den Steuerkörper in Drehung versetzt.
Zu diesem Zweck kann der Steuerkörper in bekannter Weise mit Bohrungen versehen
sein, deren Achaen sich in einer zur Welle parallelen Ebene befinden und die gegenüber
der Welle geneigt sind. In diesen Bohrungen entsteht durch das strömende Medium
eine Kraftkomponente in radialer Richtung zum Steuerkörper, der diesen in Drehung
versetzt. Die Strömung hat somit lediglich die gleitende Reibung zu überwhden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung kann der Steuerkörper
selbst als Dauermagnet ausgebildet sein, dessen Fluß wenigstens eine der beiden
Feldplatten durchaetzt. Die beiden Feldplatten sind dann jeweils in einem Magnetkreis
angeordnet, der einen Permanentmagneten mit kleiner Permeabilität und an dessen
Polenden anliegende ferromagnetische Polplatten enthält, die über einen ferromagnetischen
Rückflußkörper des Magnetkreises sowie die Feldplatte selbst
miteinander
verbunden sind. Durch die Magnetkreise erkalten die beiden Feldplatten jeweils eine
magnetische Vorspannung, die so gerichtet ist, daß die beiden Feldplatten gegenläufig
arbeiten. Das Feld des Steuerkörpers bildet dann ein Mit oder Gegenfeld zu dem Vorspannungsfeld
wenigstens einer der beiden Feldplatten und ändert dementsprechend auch den Widerstand
in wenigstens einer der Feldplatten. Die Differenz der Widerstandswerte der beiden
Feldplatten wird entsprechend geschwächt und diese Differenz dient als Ausgangssignal
für den Geber.
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+) (Patentanmeldung P . . . . . . . .; VPA 72/7552) Eine besonders
vorteilhafte weitere Ausgestaltung dieser Ausführungsform des Gebers erhält man
dadurch, daß die beiden Rückschlußkörper in den getrennten magnetischen Vorspannungskreisen
der beiden Feldplatten jeweils in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet
sind +)Dadurch schließt sich ein Teil des vom Steuerkörper vorgegebenen Flusses
bereits durch den entstehenden Luftspalt zwischen den beiden Rückschlußkörpern,
der mit einem dismagnetischen Material, vorzugsweise Luft oder auch Aluminium oder
auch Messing, gefüllt ist. Dieser Luftspalt zwischen den beiden Rückschlußkörpern
hat die Wirkung, daß in einem vorbestimmten Bereich des Abstandes der beiden Feldplatten
von dem Steuerflußgeber die Empfindlichkeit sich in diesem Bereich nicht wesentlich
ändert. Die Justierung des Abstandes der beiden Feldplatten von dem Steuerkörper
ist somit nicht mehr kritisch und der Arbeitsaufwand wird entsprechend vermindert.
Es ist nicht erforderlich, daß die gesamte Scheibe des Steuerkörpers magnetisch
ist, es kann vielmehr zweckmäßig sein, nur den äußeren ringförmigen Bereich der
Steuerscheibe aus magnetischem Material herzustellen. Dieser ringförmige Steuerflußgeber
kann dann sowohl mit einer axialen Magnetisierung als auch mit einer radialen Magnetisierung
versehen sein.
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Zur weiteren Erläuterung der Brfindung wird auf die Zeichnung Bezug
genommen, in der zwei Ausführungsbeispiele eines Signalgebers nach der Erfindung
schematisch veranschaulicht sind.
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In Fig.1 ist ein Durchflußmengenmesser dargestellt, dessen zylindrisches
Gehäuse mit 2, zwei mit Gewinde versehene Anschlußflansche mit 4 und 5 und eine
Schraubverbindung mit 6 bezeichnet. Das rohrförmige Gehäuse 2 bildet einen erweiterten
Hohlraum, der von einem Medium durchflossen sein soll, dessen Strömungsrichtung
durch einen Pfeil 8 angedeutet ist.
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Ein Steuerkörper 10 ist auf einer Welle 14 gleitend befestigt, deren
Enden jeweils in einem Spitzenlager 15 bzw.
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17 einer Zentrierscheibe 16 bzw. 18 gelagert sind. Die Position des
Steuerkörpers 10, der aus einem kegelstumpffbrmigen Gehäuse 11 und einer Bodenscheibe
12 sowie einem Ringkörper 13 aus ferromagnetischem Material bestehen kann, ergibt
sich aus dem Gleichgewicht des Strömungsdruckes des in Richtung des Pfeiles 8 strömenden
Mediums und dem Gegendruck einer auf der Welle 14 angeordneten Feder 19.
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Das Gehäuse 11 und die Bodenplatte 12 des Schwimmers 10 können zweckmäßig
aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise einer Beichtmetallegierung o2er Messing
oder auch aus Kunststoff,bestehen. Der ringförmige ferromagnetische Körper 13 bewegt
sich in der Achsrichtung tier Welle 14, d.h. in einer Richtung parallel zu zwei
Feldplatten 22 und 23, die jeweils in einem Teil nur eines Dauermagneten 24 angeordnet
sind. Die beideS Feldplatten 22 und 23 können beispielsweise Jeweils auf einem hörnerartigen
Fortsatz 25 bzw. 26 eines Polschuhs 28 des Dauermagneten 24 angeordnet sein. Die
Feldplatten 22 und 23 sollen beispielsweise ohne magnetische Vorspannung Jeweils
einen Grundwiderstand von etwa 100 Ohm haben. Sie können vorzugsweise nach Art eines
Potentiometers in Reihe geschaltet sein, so daß sich infolge ihrer TeilrlUsse des
Magneten 24 der Widerstand des Gesamtsystems auf 300 Ohm bei einer Toleranz von
beispielsweise etwa +-60 Ohm erhöht. Zum Schutz gegen mechanische Besaspruchungen
kann dieses Gebersystem 21 in einen Kunststoff 27 eingegossen und zusätzlich auch
noch in einem in der Figur nicht dargestellten Gehäuse aus einem nichtmagnetischen
Material, beispielsweise Messing, angeordnet sein. Neben dem Geber 20 sind auch
noch die elektrischen Anschlüsse 30, 31 und 32 der beiden Feldplatten 22
und
23 angedeutet, die in der dargestellten Ausführungsform als Potentiometer mit den
äußeren Anschlüssen 30 und 32 und einem Mittelabgriff 31 geschaltet sein sollen.
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Neben der in Fig.1 dargestellten Ausführungsform mit als Potentiometer
geschalteten Peldplatten 22 und 23 des Gebers 20 ist aber auch die Anordnung der
beiden Feldplatten 22 und 23 jeweils in einem Brückenzweig einer Widerstandsanordaung
in Brückenschaltung möglich.
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Mit der 3ewegung des Steuerkörpers 10 aus einer Nullsteilung, die
in fig.1 dargestellt sein soll und in der ohne Strömung der Mantel des Gehäuses
11 an einem entsprechend kegelförmig gestalteten Ansatz des Gehäuses 2 anliegt,
ändert das Ringsegment des ferromagnetischen Körpers 13 den Streufluß des Magneten
24 und damit auch den Fluß in den beiden Feldplatten 22 und 23 derart, daß sich
mit der Bewegung des Steuerkörpers 10 eine sich etwa sinusförmig ändernde Auvsgangsspannung
der.
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BrUckenschaltung ergibt, in welcher die beiden Peldplatten 22 und
23 angeordnet sind. Den Nulldurchgang der Sinusschwnngung zwischen den beiden Halbschwingungen
erhält man etwa in der Stellung des ferromagnetischen Körpers 13 in der Mitte über
den beiden Seldplatten 22 und 23, in dem der ferromagnetische Körper 13 zu beiden
Peldplatten den gleichen Abstand hat.
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Durch den Neigungswinkel des Kegelmantels des Gehäuses 11 wird die
Empfindlichkeit der Meßanordnung beeinflußt. Die EmpSindlichkeit der Bewegung des
Steuerkörpers 10 in Abhängigkeit von dem durchfließenden Xedium vrird mit einem
steilen Konus erhöht. Zugleich erhöht man damit aber auch den Strömungssiderstand
des Sveuerkörpers 10 im strömenden Medium. Eine gunstige Steigung des Kegelmantels
gegenüber der Achse erhält man deshalb mit einem Winkel von etwa 450.
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In Fig.2 ist eine Ausführungsform eines Durchflußmengenmessers nach
der Erfindung mit einer besonderen Gestaltung eines Steuerkörpers 40 und mit einem
Gebersystem 50 dargestellt.
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Wie in der Ausführungsforin nach Fig.1 ist auch der S4euerRörper 40
zruf einer Welle 14 gleitend gelagert, die ebenfalls in
Spitzenlagern
15 und 17 gehalten wird. Der Steuerkörper 40 besteht im wesentlichen aus einer Scheibe
42 mit einem flanschartigen Fortsatz 44, dessen äußerer Rand mit einem Ringmagneten
46 versehen ist, der sowohl eine radiale als rauch eine axiale Magnetisierung haben
kann. Die gegen die Strömung gerichtete Oberfläche des Steuerkörpers 40 ist mit
einer Profilierung versehen, die aus Rillen bestehen soll, von denen in der Figur
nur zwei Rillen 48 und 49 angedeutet sind und die so gerichtet sind, daß der Steuerkörper
40 eine Kraftkomponente in tangentialer Richtung enthält, sobald das strömende Medium
durch diese Rillen tritt. Jede dieser Rillen 48 und 49 verläuft deshalb in einer
Ebene senkrecht zur Achse 14 und hat eine Neigung gegenüber der radialen Richtung.
Die Rillen können beispielsweise nach Art einer Schrägverzahnung gestaltet sein
oder auch eine Spirale bilden, deren Ausgangspunkt jeweils auf der Welle liegt.
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Das Gebersystem 50 enthält zwei Feldplatten 52 und 53, die jeweils
zwischen einer Polplatte 54 bzw. 55 und einem RAckschlußkörper 56 bzw. 57 eines
magnetischen Vorspannungskreises angeordnet sind. Diese magnetischen Vorspannungskreise
enthalten jeweils einen Permanentmagneten 58 bzw. 59, deren Magnetisierungsrichtung
so gewählt ist, daß die Feldplatten 52 und 53 gegenläufig arbeiten. Zu den magnetischen
Vorspannungskreisen gehört noch jeweils eine hintere Polplatte 61 bzw. 62. Die gesamte
Anordnung kann zweckmäßig zum SchutZ gegenüber mechanischen Beschädigungen in einen
selbsthärtenden Kunststoff 64 eingegossen sein und unter Umständen zusätzlich noch
in einem in der Figur nicht dargestellten Gehäuse aus nichtmagnetischem Material
angeordnet sein.
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Die beiden Feldplatten 52 und 53 können zweckmäßig Jeweils in einem
Brückenzweig einer Widerstandsanordnung in 3rückenschaltung angeordnet sein. Unterhalb
des Gebers 50 sind noch drei elektrische Anschlüsse 66, 67 und 68 der Feldplatten
52 und 53 angedeutet.
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Mit einer Bewegung des magnetischen Steuerkörpers 46 parallel
zu
den Polplatten 45 und 55 wird der Fluß des Magneten 46 jeweils dem Fluß mindestens
eines der magnetischen Vorspannungskreise und damit dem Fluß in den Feldplatten
52 oder 53 oder zugleich auch dem Fluß in beiden Feldplatten überlagert. Die Einwirkung
dieses Steuerflusses auf den magnetischen Vorspannungsfluß bewirkt somit eine Änderung
des Widerstandswertes der Feldplatten 52 und 53, die als Steuersignal für die jeweilige
Lage des Steuermagneten 46 relativ zu dem Geber 50 herangezogen werden kann und
die dann ein Maß für die Durchflußmenge des strömenden Mediums darstellt.
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Zur Flußkonzentration ist der Steuermagnet 46 des Meßwert-« wandlers
50 noch mit einem ferromagnetischen Rückschluß 47 versehen, mit dem man eine exakte
Kennlinie des Ausgangssignals der Meßeinrichtung erhält (Paentanm.,,...;PA 72/7553).
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Im Ausführungsbeispiel wurde die Erfindung erläutert an Hand eines
Durchflußmengènmessers. Die dargestellten Anordnungen können aber auch zur Messung
des Strömungsdruckes eines strömenden Mediums dienen. Werner kann die Anordnung
nach der Erfindung auch als Flüssigkeitspegelmesser verwendet werden, wenn der Steuerkörper
als Schwimmer ausgebildet ist und der Ylüssigkeitsspiegel sich nur in relativ geringen
Grenzen ändert.
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+) 8 Patentansprüche 2 Figuren +) Der im Ausführungsbeispiel nach
Fig.1 vorgesehene Meßwertwandlar mit den beiden Feldplatten, die jeweils auf einem
hörnerartigen Fortsatz des Permanentmagneten 24 angeordnet sind, kann auch unabhängig
von deren Druck- und Durchflußmengenmesser nach der Erfindung allgemein als Positionsgeber
für die Stellung eines ferromagnetischen Steuerkörpers im magnetischen Streufluß
des Magneten 24 verwendet werden.