DE2303044A1

DE2303044A1 - Vorrichtung zur bestimmung der stellung eines beweglichen gegenstandes mit einem stellungsabtaster ohne mechanische beruehrung

Info

Publication number: DE2303044A1
Application number: DE2303044A
Authority: DE
Inventors: Jean Ambier; Roger Lavergne; Yves Pelenc
Original assignee: Merlin Gerin SA
Current assignee: Merlin Gerin SA
Priority date: 1972-01-24
Filing date: 1973-01-23
Publication date: 1973-08-09
Also published as: DE2303044C2; US3890607A; GB1416895A; BE793944A

Description

Nürnberg, den 22. Jan. 1973,

Merlin Gerin, Rue Henri Tarze, Grenoble /Frankreich

Vorrichtung zur Bestimmung der Stellung eines beweglichen Gegenstandes mit einem Stellungsabtaster ohne mechanische Berührung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Stellung eines sich entlang eines vorbestimmten Weges bewegenden Gegenstandes mit einem Abtaster ohne mechanische Berührung, der mindestens eine Primärwicklung, die von einer Wechselstromquelle gespeist wird, und mindestens eine Sekundärwicklung aufweist, die induktiv mit der Primärwicklung gekoppelt ist, wobei der bewegliche Gegenstand einen magnetischen Teil aufweist, durch den die induktive Kopplung zwischen den Wicklungen im Laufe der Bewegung des beweglichen Gegenstandes verändert werden kann.

Vorrichtungen dieser Art werden auf den verschiedensten Gebieten verwendet und sind dann von großem Interesse, wenn sich der bewegliche Gegenstand in einer abgeschlossenen Umgebung befindet, in die man aufgrund der Eigenschaften dieser Umgebung, z.B.der Temperaturen oder der chemischen Korrosion oder der Erhaltung der notwendigen Abdichtung keine mechanischen oder elektrischen Bauele-

309832/0891

mente einführen kann. Eine besondere Anwendungsmöglichkeit besteht in der Kontrolle der Stellung von Kernreaktorstangen. Solche Abtaster, deren Wirkungsweise vollkommen statisch ist, ersetzen vorteilhafterweise die mechanischen Abtaster, wenn die Abnutzungserscheinungen beträchtlich sind.

Es ist eine Vorrichtung dieser Art bekannt, die insbesondere in Kernreaktoren zur Bestimmung der Stellung ■> λ Stangen verwendet wird und auf dem Prinzip eines Transformators mit wechselweiser Vertauschung der Primär- und Sekundärwicklungen beruht. Die bekannte Vorrichtung weist folgende Nachteile auf : Wenn sich der bewegliche magnetische Gegenstand außerhalb der Abtastzone befindet, bleibt in der Sekundärwicklung eine nicht vernachlässigbare induzierte Spannung bestehen. Wenn der bewegliche Gegenstand in die Meßzone eindringt, zeigt sich die Änderung der Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung durch eine Veränderung der induzierten Spannung, wobei die Messung dieser Änderung eine Differenziation der beiden benachbarten Spannungen einschließt. Die Meßgenauigkeit ist relativ gering. Die Primärwicklung des bekannten Abtasters wird mit einer konstanten Spannung gespeist, und der sich daraus ergebende Strom ist eine Funktion des Widerstandes der Primärwicklung, der sich mit der Temperatur verändert. Die Sekundärspannung ist also durch die Temperaturänderungen beeinträchtigt,

9098 3 2/0891
ORIGINAL INSPEGTBD

und es ist schwierig, diese Störwirkung zu beseitigen. Die magnetischen Störfelder beeinflussen ebenso die Mepgenauigkeit, weil jedes Magnetfeld eine Spannung in der Sekundärwicklung induziert.' Die Meßgenauigkeit der bekannten Vorrichtung liegt also nicht unter 5 %,und die Spannung, die das Meßsignal bildet, ändert sich nicht linear mit der Verschiebung der Stange, was die Auswertung des Resultats erschwert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser Nachteile eine Stellungsabtastvorrichtung zu schaffen, die besonders einfach ist und eine große Meßgenauigkeit aufweist. Außerdem soll mit der Vorrichtung am Anfang, d.h. wenn sich der bewegliche Gegenstand außerhalb der Meßzone befindet, ein Signal mit dem Wert Null erhalten werden, wobei dieses Signal zunimmt und an einem bestimmten Punkt des Weges sein Maximum erreicht. Ferner soll die Vorrichtung unempfindlich gegenüber Änderungen der Temperatur sein. Schließlich soll die Vorrichtung ein lineares Signal abgeben, dessen Genauigkeit genügend groß ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Sekundärwicklung mindestens zwei Einzelspulen aufweist, die längs des Weges angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind, so daß sie ein Spulenpaar bilden, das ein vom Nullwert verschiedenes Signal für alle Stellungen des beweglichen Gegenstandes abgibt, der die-

309 8 32/089 1

selbe induktive Kopplung jeder einzelnen Spule mit der Primärwicklung bewirkt.

Die Sekundärwicklung besteht aus einer Vielzahl von paarweise zusammengeschalteten Spulen,die Spulenpaare bilden, wobei das von jedem Spulenpaar abgegebene Signal bei Abwesenheit des beweglichen Gegenstandes Null ist. Die Primärwicklung kann allen Sekundärspulen gemeinsam sein, in welchem Falle die letzteren zu zweit gegeneinander geschaltet sind. Die Sekundärspulen können auch koaxial und im Inneren der Primärspule oder-wicklung angeordnet sein, aber es kann auch jede andere Anordnung getroffen werden, z.B.eine Primärwicklung, die aus einer Vielzahl von Primärspulen besteht, die zwischen den Sekundärspulen angeordnet sind. In diesem letzteren Fall können die einzelnen Primärspulen in Reihe geschaltet und die Sekundärspulen zu zweit differential oder umgekehrt, die Primärspulen zu zweit gegeneinander und die Sekundärspulen zu zweit in Reihe geschaltet sein. Es ist dann angebracht, zwischen den beiden Sekundärspulen einen Zwischenraum ohne Primärspulen freizulassen, so daß der Magnetfluß geschlossen werden kann.

Die Primärwicklung wird von einem konstanten Wechselstrom gespeist, ganz gleich, wie groß die Änderung des Widerstandes dieser Wicklung ist, so daß für jede Temperatur ein konstanter Magnetfluß erhalten wird. Der kon-

309832/0891

stant gehaltene Parameter ist derselbe wie der, der von dem System zur Verarbeitung der Sekundärsignale bestimmt wird, die von den Sekundärspulen abgegeben werden. Wenn dieses letztere System den wirksamen Wert mißt, den mittleren Wert nach der Gleichrichtung, den Spitzenwert oder analogen Wert der Spannung der durch die Sekundärspulenpaare abgegebenen Signale, so hält man den wirksamen Wert, den mittleren Wert nach der Gleichrichtung, den Spitzenwert oder den analogen Wert des Primärstromes konstant. Diese Anordnung gestattet es, eventuelle Veränderungen der Signale zu vermeiden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die relative Anordnung der Sekundärspulen und ihrer Verbindungen untereinander so getroffen, daß der Abtaster direkt eine verschlüsselte Zahleninformation abgibt, die die Stellung des beweglichen Gegenstandes kennzeichnet und die durch eine Verarbeitungsvorrichtung ausgewertet werden kann, die mit dem Abtaster durch eine begrenzte Anzahl von geeigneten Leitern verbunden und zur Übertragung der verschlüsselten Information geeignet ist.

In diesem Fall liefert die Vorrichtung eine Information in Zahlenform, wobei die Verschlüsselung nach einem bekannten Zahlencode direkt durch eine entsprechende Anordnung der Sekundärspulen erreicht wird.

309832/0 8 91

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist im Abtaster eine Hilfssekundarwicklung vorgesehen, so daß die durch die Primärwicklung induzierte Spannung von der Stellung des beweglichen Gegenstandes unabhängig ist, und ein Regler des Speisestromes für die Primärspule wird durch diese induzierte Spannung gesteuert, so daß sie konstant bleibt. Auf diese Weise wird jede Störung, durch die das vom Abtaster abgegebene Signal beeinträchtigt werden könnte, beseitigt, und die Hilfssekundarwicklung unterliegt denselben Bedingungen wie die Meßsekundärspulen. Die Sekundärwicklung kann zwei in Reihe geschaltete und zu beiden Seiten der Bewegungszone des äußersten Endes des beweglichen Gegenstandes angeordnete Spulen aufweisen, so daß die gesamte Meßzone kontrolliert werden kann.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung liefert die elektronische Vorrichtung zur Verarbeitung von Sekundärsignalen eine Spannung, deren Wert proportional zum Abstand des beweglichen Gegenstandes von einem gegebenen Ausgangspunkt ist und sich ständig ändert. Eine analoge Vorrichtung zur Verarbeitung kann auf verschiedene Weise geschaffen werden, von denen jedoch jede zwei Prinzipien unterliegt :

Das wechselnde Signal, das aus einem Spulenpaar der Reihen herstammt, trägt zum Wert der Spannung V bei, die dem Meßsignal entspricht, das proportional zum Abstande d ist, der das Zentrum des Spulenpaöres vom

309832/0891

230304A

Ausgangspunkt O trennt. Wenn der Beitrag des ersten Spulenpaares z.B. V ist, so ist der Beitrag des zweiten Spulenpaares 2 V und der des η-ten Paares η V .

S S

Der Beitrag ist ebenfalls eine Funktion der Amplitude des wechselnden Signales, das von dem betreffenden Spulenpaar herstammt. Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist z.B. dieser Beitrag dann gleich Null, wenn das Signal unterhalb eines bestimmten Amplitudenwertes liegt und dann einen konstanten Wert annimmt, wenn das Signal oberhalb des bestimmten Wertes liegt.·

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zeigt :

Fig.l einen Axialschnitt durch einen Abtaster gemäß der Erfindung mit einer Primärwicklung, die einer Vielzahl von Sekundärspulen gemeinsam ist,

Fig.2 eine Fig. 1 ähnliche Ansicht eines weiteren Abtasters gemäß der Erfindung, bei dem die Sekundärspulen zwischen den einzelnen Primärspulen angeordnet sind,

Fig.3 eine den Fig.l oder 2 ähnliche Ansicht eines Abtasters gemäß der Erfindung, bei dem die Primärspulen, die zwischen den Sekundärspulen angeordnet sind, gegengeschaltet sind,

Fig.4 ein Diagramm von durch die Sekundärspulenpaare abgegebenen Signale, deren Windungszahl proportional zum Abstande von einem Ausgangspunkt zunimmt,

309832/0891

Fig.5 eine Fig. 4 ähnliche Ansicht, wobei die Anzahl der Windungen der aufeinanderfolgenden Sekundärspulen konstant ist,

Fig.6 ein Blockschema einer elektronischen Vorrichtung zur Regelung des Speisestromes für die Primärspule,

Fig.7 ein Schema einer elektronischen Vorrichtung zur Verarbeitung von Signalen, die von den Sekundärspulenpaaren abgegeben werden,

Fig.8 eine Figur 7 ähnliche Ansicht einer elektronischen Vorrichtung zur Verarbeitung von Signalen

Fig.9 die Stellung der verschiedenen Auslöser der Vorrichtung gemäß Fig. 8 in Abhängigkeit von der Stellung des beweglichen Gegenstandes,

Fig.10 eine Kurve der Änderung des Spannungssignals, das von der elektronischen Verarbeitungsvorrichtung gemäß Fig. 8 abgegeben wird in Abhängigkeit von der Verschiebung des beweglichen Gegenstandes,

Fig.11 ein Schema einer Vorrichtung zur Regelung von Schwellwerten für die Einschaltung und Ausschaltung der Auslöser gemäß Fig.8,

Fig.12 eine Fig. 8 ähnliche Ansicht einer weiteren elektronischen Vorrichtung zur Verarbeitung von Sekundärsignalen ,

Fig.13 «ine schematische Ansicht eines Abtasters gemäß Fig.l, der mit einer Hilfssekundärwicklung versehen ist,

309832/0891

2303QU

Fig.14 ein Schema zur Verbindung der Sekundärspulen, die

eine verschlüsselte Zahleninformation liefern, Fig.15 verschiedene Kurven der Änderung der Signale, die von den Spulengruppen gemäß Fig.14 abgegeben

werden,
Fig.16 die logischen Signale, die von den Signalen gemäß

Fig.15 abgeleitet werden und Fig.17 eine Tabelle mit dem verwendeten Code.

Gemäß den Fig. 1 bis 3 , in denen verschiedene Abtaster gemäß der Erfindung dargestellt sind, ist ein beweglicher Gegenstand 10 aus magnetischem Material so angeordnet, daß er längs etier Achse 12 verschoben werden kann. Gemäß Fig.l wird eine Primärwicklung, die aus einer sich auf der Achse 12 ausdehnenden Spule 14 besteht, von einer Wechselstromquelle 16 so mit Strom versorgt, daß im Innern der Spule 14 ein konstanter Magnetfluß erzeugt wird. Koaxial dazu sind im Innern der Spule Sekundärspulen 18,20,22,24,26,28 längs der Achse 12 angeordnet. Die Sekundärspulen 18,20;22,24;26,28 sind paarweise ( Paare l,2.....n) angeordnet, wobei die Paare vorzugsweise in regelmäßigen Abständen längs der Achse 12 liegen. Die Sekundärspulen eines jeden Paares sind elektrisch gegeneinander geschaltet, so daß ein Differentialsignal abgegeben wird. Der bewegliche Gegenstand IO, der im Innnern der Spulen 18 bis 28 als

309832/0891

Kolben angeordnet ist, ändert im Laufe seiner Bewegung entlang der Achse 12 die Kopplung zwischen der Primärspule 14 und den Sekundärspulen, so daß an ihren Anschlüssen Signale auftreten, die die Stellung des beweglichen Gegenstandes 10 kennzeichnen. Die Sekundärspulen desselben Paares sind vollkommen identisch und weisen insbesondere die gleiche Anzahl von Windungen auf, so daß das vom Spulenpaar, z.B.vom Spulenpaar !,abgegebene Signal gleich Null ist, wenn die induktive Kopplung zwischen der Primärspule 14 und den Sekundärspulen 18,20 die gleiche ist, d.h. wenn sich der bewegliche Gegenstand 10 vollkommen außerhalb oder innerhalb des Spulenpaares 1 befindet. Die an den Anschlüssen eines jeden Sekundärspulenpaares in Abhängigkeit von der Verschiebung des beweglichen Gegenstandes 10 erhaltenen Signale sind glockenförmig, und ihre Maxima sind um den Abstand d¹, der die Zentren der Spulenpaare voneinander trennt, gegeneinander versetzt,. Dieser Abstand d¹ wird im folgenden als Schritt ρ der Sekundärwicklung bezeichnet.

Die Gesamtheit der Sekundärspulen 18 bis 28 kann die gleiche Anzahl von Windungen besitzen, und die von jedem Paar gelieferten Signale haben die gleiche maximale Amplitude, wie sie in Fig.5 dargestellt ist, in der die Signale von fünf aufeinanderfolgenden Sekundärspulenpaaren gezeigt werden. Die Zahl der Spulenpaare kann selbstverständlich größer sein, und die Randeffekte sind in der Darstellung gemäß Fig.5 vernachlässigt.

309832/0891

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nimmt die Zahl der Windungen der Sekundärspulenpaare proportional zur Reihenfolge dieser Spulenpaare zu, wobei das Paar 1 s Windungen, das Paar 2 2s Windungen und das Paar η ns Windungen aufweist. Die von den Spulenpaaren mit zunehmender Windungszahl abgegebenen Signale sind glockenförmig, und ihre maximale Amplitude vergrößert sich in der in Fig.4 dargestellten Weise.

Bevor die Arten der Auswertung der von den Sekundärspulen abgegebenen Signale beschrieben werden, wird darauf hingewiesen, daß der Abtas^ter gemäß der Erfindung in verschiedener Weise ausgebildet werden kann, z.B. in der in Fig.2 dargestellten Weise. Die Primärwicklung besteht aus einer Reihe von Teilspulen 14',14",14"· usw., wobei eine Sekundärspule 18 bis 28 jedesmayzwischen zwei Teilspulen 14·, 14"; 14",14"· usw. eingefügt ist. Die Sekundärspulen sind elektrisch so differentialgeschaltet, wie es in bezug auf Fig.l beschrieben worden ist. Die Wirkungsweise des Abtasters gemäß Fig.2 ist selbstverständlich dieselbe wie die des Abtasters der am. Fig.l. In Fig.2 ist ein Schirm 30 dargestellt, der z.B.den warmen Teil einer Stange 10 eines Nuklearreaktors der Meßzone isoliert, die die Primär- und Sekundärspulen des Abtasters aufweist.

Die Fig.3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Abtasters gemäß der Erfindung, bei dem die primären Teil-

309832/0891

spulen 14',14",14"· usw. paarweise gegeneinander geschaltet und die Sekundärspulen, die zwischen den Primärspulen liegen, zu zweit in Reihe geschaltet sind, wobei jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Primärspulen ein spulenfreier Zwischenraum liegt, um den Magnetfluß zu schließen. Die in den Sekundärspulen, z.B.18,20 desselben Paares erzeugten Spannungen sind von entgegengesetzter Polarität, und die Verbindung in Reihe läßt bei gleicher induktiver Kopplung mit den Primärspulen eine Nullspannung auftreten.

Eine Regelvorrichtung hält den Wechselstrom zur Versorgung der Primärspule 14 konstant, so daß Temperaturänderungen nicht mehr auftreten und ein konstantes Magnetfeld zur Verfugung steht, das von der Temperatur unabhängig ist. Die Fig.6 zeigt ein Schema einer bekannten Regelvorrichtung, die es gestattet, den Speisestrom zu regeln. Ein Verstärker 32 mit veränderlicher Verstärkung der Wechselspannung der Wechselstromquelle 16 wird durch ein von einem Verstärker 34 abgegebenes Fehlersignal gesteuert, der das abgegebene Signal ständig mittels eines Stromglexchrxchters 36 mit einem vorbestimmten Wert 38 vergleicht. Um evtl. Signalverformungen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, den Parameter konstant zu halten, der dem Parameter gleich ist, der von dem System zur Verarbeitung von Sekundärsignalen bestimmt wird. Wenn dieses System den wirksamen Wert, den mittleren Wert nach der Gleichrichtung, den Scheitelwert usw. der Spannung der

309832/0891

Signale, die von den Sekundärspulenpaaren geliefert werden, mißt, wird der wirksame Wert, der mittlere Wert nach der Gleichrichtung, der Spitzenwert usw. des Primärstromes konstant gehalten, während dieser Wert von dem Stromgleichrichter 36 gemessen wird.

Die Auswertung und Verarbeitung der von dem oben beschriebenen Abtaster gelieferten Signale können auf verschiedene Weise erfolgen.

Bei einer ersten einfachen Ausführungsform, die für den Fall anwendbar ist, daß ein Abtaster Sekundärspulen mit zunehmender Windungszahl aufweist, die Signale der in Fig.4 dargestellten Form liefern, sind die gesamten Sekundärspulenpaare 1,2.... η elektrisch in Reihe geschaltet, so daß sich die wechselnden Spannungen, die von jedem der Paare ausgehen, summieren. Die Gesamtspannung ist proportional zur Verschiebung des beweglichen Gegenstandes, und sie kann von einem Verstärker mit der Verstärkung 1 abgetastet werden, der zur Verringerung der Impedanz dient und dann eine Wechselspannung liefert, die proportional zur Verschiebung des beweglichen Gegenstandes ist.

Die Fig.7 zeigt eine zweite Ausführungsform des Systems zur Verarbeitung von Signalen, die von den Sekundärspulenpaaren 1,2...η herstammen,bei dem diese Signale

309832/0891

von Dioden D ,D₉......D gleichgerichtet werden, bevor sie mit Tiilfe von Widerständen R.,R₉....R dem Eingang eines Summenverstärkers 40 zugeführt werden. Die von dem Verstärker 40 gelieferte Spannung V wird von einem Kondensator C gefiltert, so daß ein Dauersignal entsteht, dessen Amplitude proportional der Summe der mittleren Ströme ist, die die Dioden D. bis D durchfließen. Für den Fall, daß die Sekundärspulen eine zunehmende Anzahl von Windungen aufweisen, die ein Signal der in Fig.4 dargestellten Form liefern, können alle Widerstände R^Rp....** identisch sein, wobei das Signal V proportional zur Verschiebung des beweglichen Gegenstandes 10 ist. Für den Fall,daß die Sekundärspulen eine konstante Anzahl von Windungen aufweisen, die ein Signal der in Fig.5 dargestellten Form liefern, erhält man die Proportionalität dadurch, daß man den Widerständen R. ,R₉....R die Werte R., R^ R^ gibt. Das Sig-

l έ η ι.^_ _n

nal V ist dann proportional zur Summe der die Dioden D , Dp....D durchfließenden Ströme und folglich auch zur Entfernung d des beweglichen Gegenstandes 10 in bezug auf den Ausgangspunkt oder die Verschiebung dieses beweglichen

Geaenstandes. Die Dioden D.,D₀ D weisen eine Lei-

1 2. . η

tungsschwelle auf, durch die vermieden wird, daß die Sekundärspulen zum Wert des Signals V beitragen, wenn das Signal, das von einem Sekundärspulenpaar geliefert wird, unterhalb dieser Schwelle liegt. Diese Eigenschaft gestattet es, die Meßgemaaigkeit zu erhöhen.

309832/0891

Die Dioden D bis D können selbstverständlich durch jeden entsprechend ausgebildeten Stromkreis ersetzt werden, der hinsichtlich der Temperatur konstante und evtl.regelbare Leitungsschwellen aufweist.

Die Fig.8 zeigt ein System zur logischen Verarbeitung von Signalen, die vom Abtaster gemäß der Erfindung abgegeben werden. Die Signale, die von jedem Sekundärspulenpaar 1,2... η herstammen, werden Auslösern De,.,De-·. · ·^Οβ _η zugeführt, die dieses Eingangssignal mit einer Schwellenspannung vergleichen und ein logisches Dauersignal O oder 1 liefern, je nachdem ob die Amplitude des Signals der Sekundärspulen kleiner oder größer als die Schwellenspannung ist. Jeder Auslöser De, bis De steuert ein analoges Tor P bis P , das in geöffneter Stellung des Tores einen Punkt A mit einem bestimmten Punkt einer Teilerbrücke 42 verbindet. Die Verbindungspunkte auf der Teilerbrücke 42

sind so ausgewählt, daß der Punkt A auf das Potential V gebracht wird, wenn dasTor P^ offen ist, auf das Potential 2 V , wenn das Tor P.-, offen ist, und auf das Potential η V , wenn das Tor P geöffnet ist. Widerstände 44 sind vorteilhafterweise mit jedem der Tore P.,P_n....P in Rei-

, , 1 l η

geschaltet, so daß der Punkt A auf ein Zwischenpotential gebracht wird, wenn zwei benachbarte Tore gleichzeitig betätigt werden, wobei der Wert dieses Potentials gleich dem Durchschnitt der Potentiale ist,die jedem der beiden geöffneten Tore entsprechen. Die gleichzeitige Öffnung beider Tore entspricht einer Überlagerung der logischen

309832/0891

Signale zweier Auslöser, wobei diese Überlagerung
vorteilhafterweise wiederum einer Verschiebung des beweglichen Gegenstandes 10 um einen halben Schritt in
der in Fig.9 dargestellten Weise entspricht, die die logischen Signale der verschiedenen Auslöser in Abhängigkeit von der Verschiebung oder vom Abstand des Endes des beweglichen Gegenstandes 10 in bezug auf den Ausgangspunkt zeigt. Aus der Kurve gemäß Fig.10, die die entsprechende Veränderung des Potentials V des Punktes A in Abhängig-

keit vom Abstand d zeigt, ergibt sich, daß die Überlagerung der Signale eines Halbschrittes eine Zwischenstufe in der Änderungseskala des Signals einführt, wobei die
Meßgenauigkeit in bezug auf die theoretische Gerade auf * 0,25 ρ gebracht wird. Ein Verstärker 46 mit der Verstärkung 1 gestattet es, das Potential des Punktes A mit einem niedrigen Scheinwiderstand zu übertragen. Die geeignete Überlagerung der logischen Signale der verschiedenen Auslöser wird durch eine Wahl der Schwellwerte für die Einschaltung und die Ausschaltung der Auslöser verwirklicht.

Die Fig.11, in der eine Einzelheit der Fig.8 dargestellt ist, zeigt ein Schema zur Regelung der Schwellwerte für die Einschaltung und die Ausschaltung eines Auslösers
De der Reihe n. Die an den Auslöser De angelegte Spannung kann dadurch korrigiert werden, daß der Eingang des Auslösers, der die Schwellenspannung erhält, mit dem Ausgang des Auslösers °e_n_^ einer niedrigeren Reihe und mit dem Ausgang des Auslösers De . einer höheren Reihe

309832/0891

elektrisch mit Hilfe von Potentiometern P_na und P . verbunden wird. Die Einschaltschwelle des Auslösers De wird durch das Potentiometer P„„ geregelt, das eine

na

Korrektur der Schwellenspannung durchführt, wenn der Auslöser der niedrigeren Reihe De _Λ betätigt wird, während die Auslöseschwelle durch das Potentiometer P . geregelt wird, das eine Korrektur der Schwellenspannung durchführt, wenn der Auslöser De ., einer höheren Reihe betätigt wird.Die Potentiometer P und P- erlauben eine genaue Regelung der Überlagerung logischer Öffnungssignale der Tore P- bis P .

Die Fig.12 zeigt ein Schema eines Verarbeitungssystems, das einen Verstärker 48 verwendet, der als Stromsummierer geschaltet ist. In einer analog zu Fig.8 beschriebenen Weise werden analoge Tore P^,P₂-...P durch Auslöser De.,De«....De gesteuert, die die Signale, die durch die Sekundärspulenpaare 1,2....η abgegeben werden, mit einer Schwellenspannung V vergleichen. Mit jedem Tor

P. bis P ist ein Widerstand R„ bis R von geeigneter in in'

Größe in Reihe geschaltet, daß der sie durchfließende Strom dann, wenn das entsprechende Tor geöffnet ist,

gleich i.,,2 i^ η i^ ist. Der Verstärker 48 summiert

die Ströme, die durch die geöffneten Tore fließen und. liefert ein Signal V , das proportional zur Verschiebung des beweglichen Gegenstandes 10 ist. Um die Meßgenauigkeit zu erhöhen, kann in ähnlicher, zu der in bezug auf Fig.8 beschriebenen Weise eine Überlappung der logischen Sig-

309832/0891

nale zur Steuerung der Öffnung der Tore P.- bis P vorgesehen werden. Ein Koinzidenzstromkreis 50, der von den logischen Signalen der Auslöser De₁ bis De gesteuert wird, stellt die gleichzeitige Öffnung zweier benachbarter Tore fest und steuert in diesem Fall die öffnung eines Tores 52, das einen Widerstand r der Teilung der Verstärkung des Verstärkers 48 durch zwei verbindet. Das Signal V nimmt einen Wert an, der dem Durchschnitt der Ströme entspricht, die durch die beiden geöffneten benachbarten Tore fließen. Der Stromkreis gemäß Fig.2 gestattet es, ein Resultat zu erhalten, das dem des in Fig.Io dargestellten Stromkreises äquivalent ist.

Die vorerwähnten Verarbeitungsvorrichtungen verarbeiten Signale, die durch Abtaster mit Sekundärspulen mit zunehmender Windungszahl oder durch Abtaster mit konstanter Windungszahl abgegeben werden, und im letzteren Falle beeinflußt eine geeignete Modulation die Größe des Signals_T in Abhängigkeit von der Stellung des Dekundärspulenpaares. Die Erfindung bezieht sich selbstverständlich auch auf Mybride-Abtaster, bei denen mehrere benachbarte Sekundarspulenpaare mit zunehmender Windungszahl eine Untergruppe bilden, deren Ausgangsspannung summiert wird,um ein der Verschiebung proportionales Signal zu liefern. Eine Vielzahl von identischen Untergruppen mit summierter Ausgangsspannung ist in regelmäßigen Abständen längs cfer Fahrbahn des beweglichen Gegenstandes angeordnet, wobei die Signale jeder Untergruppe in der oben

z.B.in bezug auf die Fig.8 oder 12 beschriebenen Weise 309832/0891

so verarbeitet werden, daß ihre Große proportional zur Entfernung der entsprechenden Untergruppe vom Ausgangspunkt zunimmt und schließlich ein Ausgangssignal entsteht, das zum Abstand des beweglichen Gegenstandes von diesem Ausgangspunkt proportional ist. Es könnten auch noch andere Kombinationen oder Aufteilungen der Sekundärspulen verwendet werden.

Es ist überflüssig, die einzelnen Bauelemente der vorerwähnten elektronischen Stromkreise, die in irgendeiner bekannten Weise ausgebildet sein können, iifc einzelnen näher zu beschreiben. Die Auslöser können z.B. mit Operationsverstärkern mit integrierten Stromkreisen versehen sein, die je nach Sättigung.vollständig oder nicht arbeiten und denen eine Diode oder ein Filter nachgeschaltet ist, so daß eine von Null verschiedene Gleichspannung geliefert wird, sobald der Verstärker im Rhythmus des wechselnden Eingangssignals zu arbeiten beginnt. Die analogen Tore können auch mit elektromagnetischen Relais, aber auch mit Transistoren, die mit Um-Schaltung arbeiten, oder besser mit Transistoren mit Mag— netfeldeffekt versehen sein. Der KonzidenzStromkreis 50 kann auch mit einem Summenverstärker mit nachgeschaltetem Auslöser versehen sein, so daß der letztere nur dann betätigt wird, wenn zwei oder mehrere Auslöser Del bis De in Betrieb sind.

309832/0891

Die Amplitude des vom Abtaster abgegebenen Signals kann auf Wunsch durch einfache Veränderung der Amperwindungen der Primärspule 14 oder der Windungszahl der Sekundärspulen erhöht werden. Die Meßgenauigkeit kann dadurch verbessert werden, daß die Zahl der Sekundärspulenpaare vergrößert und diese Spulen evtl.übereinander angeordnet werden. Gegebenenfalls können die Sekundärspulen auch äußerst flach und z.B.als gedruckte Schaltung ausgebildet sein.

Die Fig.13 zeigt einen Abtaster der in Fig.l dargestellten Art, wobei der bewegliche Gegenstand 10 sich auf einer Länge L verschiebt, die zu beiden Seiten durch die Punkte O und η begrenzt ist. Außerhalb der Meßzone und zu beiden Seiten der Grenzen O und η sind Hilfssekundärspulen 60,62 angeordnet, die durch einen Leiter 64 in Reihe geschaltet sind. Die Primärspule 14 erstreckt sich bis zu den Hilfsspulen 6O_r62, so daß letztere den gleichen Bedingungen unterworfen sind wie die anderen Sekundärspulen 18 bis 24. Die Grenzen O,η sind genügend weit von den Hilfsspulen 6O_f62 entfernt, dam-^it die in den Hilfsspulen 6O_f62 induzierten Spannungen nicht durch die Verschiebung des beweglichen Gegenstandes 10 beeinflußt werden. Die Hilfsspule 60 wird ständig von dem beweglichen Gegenstand 10 durchquert, der jedoch niemals die Hilfsspule 62 durchläuft. "S)Ie an den Anschlüssen des Hilfsspulenpaares 60_r62 verfügbare induzierte Spannung wird

309832/0891

einer nicht dargestellten Regelvorrichtung zugeführt, die den Speisestrom für die Primärspule 14 regelt, so daß diese Spannung konstant bleibt.

Die Wirkungsweise des Anzeigers gemäß Fig.13 ist mit der oben beschriebenen identisch und es genügt, darauf hinzuweisen, daß jede durch die Primärspule 14 hervorgerufene Änderung des Magnetfeldes, durch die die induzierten Spannungen in den Sekundärspulen 18 bis 24 beeinflußt werden könnten, eine entsprechende Änderung der in den Hilfsspulen 6O,62 induzierten Spannung hervorruft. Der durch diese induzierte Spannung gesteuerte Regler verändert folglich den Speisestrom für die Primärspule 14 und erleichtert die Veränderung des Magnetfeldes. Die Verluste können sich aus den Strömen ergeben, die in den Metallteilen induziert werden, die in der Meßzone angeordnet sind, besonders in dem beweglichen Gegenstand 10 selbst und im Schirm 30, wobei die Veränderungen dieser Verluste z.B.auf eine Temperaturveränderung zurückzuführen sind. Die Korrekturvorrichtung mit den Hilfsspulen 60, 62 ermöglicht es selbstverständlich, auch andere Störeffekte zu vermeiden, insbesondere eine Veränderung des ohmschen Widerstandes der Spule 14.Es ist leicht ersichtlich, daß die in den Sekundärspulen 18 bis 24 induzierte Spannung, die die Stellung des beweglichen Gegenstandes 10 kennzeichnet, von allen Störungen unabhängig ist,die die gesamten Sekundärspulen 18 bis 24 und 60,62 in gleicher Weise beeinflussen. Die Sekundärspulen sind

309832/0891

vorzugsweise mit Vorrichtungen verbunden, die einen hohen Eingangsscheinwiderstand aufweisen, so daß die von ihnen abgegebenen Signale nicht durch die Veränderung des Widerstände dieser Sekundärspulen beeinflußt werden.

Die Anordnung der beiden Hilfssekundärspulen 6O_f62 an den beiden Enden des Abtasters erlaubt es, im gewissen Maße die Störungen zu berücksichtigen, denen der gesamte Abtaster ausgesetzt ist. Diese Störungen können an bestimmten Punkten verschieden stark sein, wenn insbesondere die Länge des Abtasters beträchtlich ist. Die Meßgenauigkeit des Abtasters wird dadurch beträchtlich erhöht.

Gemäß Fig.14 sind sieben Sekundärspulen 66,68,70,72,74,76, 78 längs des Verschiebeweges des beweglichen Gegenstandes IO als Abszissen d. , d„ , d-, , d. , d,- , d_fi , d~ angeordnet, wobei die Verschiebungsgrenzen des beweglichen Gegenstandes 10 durch die Punkte d und d_Q markiert sind. Die Primär-

o ο

spule und evtl.auch die Hilfssekundärspulen sind in Fig. 14 nicht dargestellt. Die Sekundärspulen 66 bis 78 sind alle identisch und elektrisch miteinander verbunden,um Gruppen A,B,C zubilden, wobei die Gruppe A aus den Spulen 66,70,74,78 besteht, die Gruppe B aus den Spulen 68, 76 und dieGruppe C aus der einzigen Spule 72 gebildet wird. Die Spulen 66,70 sind gegeneinander geschaltet und bilden ein Paar, das ein Differentialsignal erzeugt, wie oben beschrieben worden ist. Die Spulen 74 und 78

309832/089 1

bilden ein ähnliches Paar, das mit dem Paar 66,7O elektrisch in Reihe geschaltet ist, um die Gruppe A zu bilden.Die Spulen 68 und 76 der Gruppe B sind ebenfalls gegeneinander geschaltet, um in ähnlicher Weise ein Differentialsignal zu erzeugen.

Die Fig.15 zeigt drei Kurven über die Änderung der wechselnden Signale, die von den Gruppen A,B,C in Abhängigkeit von der Verschiebung d des Endes des beweglichen Gegenstandes IO geliefert werden. Das Signal der Gruppe A zwischen den Abszissen d und d. wird selbstverständlich von dem Paar der Spulen 66,70 erzeugt, wobei die Spulen 74,80 das Signal erzeugen, das den Abszissen d₄ bis d„ entspricht.Die Signale der Gruppen A,B,C werden in eine logische Form in einer nicht dargestellten elektrodschen Vorrichtung gebracht, die z.B. aus einem Auslöser besteht, dessen Schwellwert mit einem Niveau S festgelegt ist, das in Fig.15 durch gestrichelte Linien gekennzeichnet ist. Die sich daraus ergebenden logischen Signale sind in Fig. 16 dargestellt, wobei der Schwellwart S so gewählt ist, daß der Übergang der Informationselemente A,B,C aus einem logischen Zustand in einen anderen bei den Abszissen d^,dp,d₃ bis dg erfolgt.

Es ist leicht ersichtlich, daß die in Fig.16 dargestellten Signale oder Informationselemente A,B,C einem

309832/0891

Code mit acht Werten η entsprechen, wie Fig.17 zeigt. Dieser Code ist unter der Bezeichnung "GRAY" bekannt, und er ergibt sich selbstverständlich aus der Anordnung der Sekundärspulen und ihrer geeigneten Verbindungen, aber es könnte natürlich jeder andere Code verwendet werden. Dennoch ist es vorteilhaft, einen eindeutigen Code zu verwenden, bei dem der Übergang von einer Stufe zur anderen nur die logische Zustandsänderung eines einzigen Informationselementes zur Folge hat, so daß die Fehlerrisiken maximal ausgeschaltet werden. Die äußerste Stellung des vollständig zurückgezogenen bewegten Gegenstandes 10 der Sekundärspulen 66 bis 78 entspricht der Stellung d und wird als Informationselement 000 des Codes der Fig.17 übertragen. Im Laufe der Verschiebung des beweglichen Gegenstandes 10 aus der Stellung d in die Stellung d_g nimmt der Code η nacheinander die Werte 0 bis 7 an, die durch die aufeinanderfolgenden logischen Zustände der in Fig.17 angegebenen Informationselemente übertragen werden.

Die drei Informationselemente A,B,C reichen aus, um acht Werte η zu verschlüsseln, und die Übertragung der verschlüsselten Information des Abtasters auf den elektronischen Verarbeitungsteil erfordert nur vier Leiter, das heißt einen Leiter für ein Informationselement und einen gemeinsamen Leiter.

309832/0891

230304A

Die Erfindung wurde insbesondere in bezug auf einen Abtaster mit sieben Sekundärspulen beschrieben, die acht aufeinanderfolgende Werte übertragen und acht Stellungen des beweglichen Gegenstandes 10 zugeordnet sind. Es ist aber klar, daß die Meßgenauigkeit oder die Meßlänge M mit Hilfe einer höheren Sekundärspulenzahl vergrößert werden kann, deren Informationen dann mit einem Code übertragen werden, der eine höhere Zahl von Informationselementen aufweist.

Wenn ein Informationselement,z.B.das Informationselement A ab einer hohen Anzahl von Spulenpaaren 66,70;74,78 gebildet wird, ist es vorteilhaft, wenn vermieden werden soll, daß die restlichen von Null verschiedenen Signale eines jeden Paares addiert werden, diese Paare untereinander zu verbinden und gleichzeitig bei jedem Übergang von einem Paar auf das andere die Phase umzukehren. Die restlichen Signale heben sich gegenseitig auf. Fig.14 zeigt eine solche Gegeneinanderschaltung von zwei, aufeinanderfolgenden Paaren 66,70 und 74,78.

Die vom Abtaster gelieferte Information ist also quantitativ begrenzt,d.h.sie wird in Form einer Zahl η abgegeben, deren direkte Auswertung besonders einfach ist.Die Zahl der Leitungen,die zur Übertragung dieses verschlüsselten Signals notwendig ist, ist gering und die Informationen der verschiedenen Abtaster einer Anlage können leicht in einer Kontroll-oder Steuerstelle zentral zusammengefaßt werden.

309832/0891

Claims

Patentansprüche

Ί.) Vorrichtung zur Bestimmung der Stellung eines

sich entlang eines vorbestimmten Weges bewegenden
Gegenstandes mit einem Abtaster ohne mechanische Berührung der mindestens eine Primärwicklung, die von einer
Wechselstromquelle gespeist wird, und mindestens eine
Sekundärwicklung aufweist, die induktiv mit der Primärwicklung gekoppelt ist, wobei der bewegliche Gegenstand einen magnetischen Teil aufweist, durch den die induktive Kopplung zwischen den Wicklungen im Laufe der Bewegung
des beweglichen Gegenstandes verändert werden kann,' dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung mindestens zwei Einzelspulen aufweist, die längs des Weges angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind, so daß sie ein Spulenpaar bilden, das ein vom Nullwert verschiedenes Signal für alle Stellungen des beweglichen Gegenstandes abgibt, der dieselbe induktive Kopplung jeder
einzelnen Spule mit der Primärwicklung bewirkt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung eine Vielzahl von einzelnen Primärspulen aufweist, die entlang des Weges angeordnet und zu zweit gegeneinander geschaltet sind, wobei sämtliche Sekundärspulen in Reihe geschaltet und zwischen den einzelnen Spulen Zwischenräume vorgesehen sind.

309832/0891
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Sekundärspulen und ihreVerbindungen untereinander so durchgeführt sind, daß der Abtaster direkt eine verschlüsselte Zahleninformation abgibt, deren Informationselement der Reihe 1, d.h. der niedrigsten Reihe eines Zahlencodes, mit χ Informationselementen von einer Gruppe von 2 x-1 Sekundärspulen verarbeitet wird und das Informationselement der Reihe 2 von einer Gruppe von 2 x-2 Sekundärspulen und das Informationselement der Reihe χ von einer Gruppe von 2 Sekundärspulen erstellt wird, wobei die Sekundärspulen, die derselben Gruppe angehören, in regelmäßigen Abständen längs des Weges angeordnet und zu zweit gegeneinander geschaltet sind, um aufeinanderfolgende Paare zu bilden, die alle in Reihe geschaltet sind, und alle Sekundärspulen in regelmäßigen Abständen und mit einer Unterbrechung der verschiedenen Gruppen angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Code der verschlüsselten Zahleninformation eindeutig ist, so daß sich das Überschreiten einer Stufe durch eine Änderung des logischen Zustandes eines einzigen Informationselementes des Codes auswirkt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung zwischen zwei Sekundärspulenpaaren in der Phase umgekehrt ist, so daß

309832/0891

sich die restlichen Signale eines jeden Paares subtrahieren.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Hilfssekundärwicklung aufweist, die so angeordnet ist, daß die in dieser Wicklung durch die Primärwicklung induzierte Spannung unabhängig von der Stellung des beweglichen Gegenstandes ist, und daß ein Regler für den Speisestrom der Primärwicklung vorgesehen ist, der von der in der Hilfssekundärwicklung induzierten Spannung gesteuert wird, so daß die Spannung konstant gehalten wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfssekundärwicklung zwei Spulen aufweist, die zu beiden Seiten der Verschiebungszone des Endes des beweglichen Gegenstandes angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vielzahl von Spulenpaaren aufweist, die längs des Verschiebungsweges angeordnet sind und deren Differentialsignale den Eingängen eines Verarbeitungsblockes zugeführt werden, der so angeordnet ist, daß er ein zur Verschiebung des beweglichen Gegenstandes proportionales Ausgangssignal liefert.

309832/0 891
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspulenpaare in regelmäßigen Abständen entlang des Weges angeordnet sind und daß die Zahl der Windungen der Spulenpaare proportional zur Entfernung des betreffenden Paares zu einem Ausgangspunkt zunimmt, so daß ein zur Verschiebung des beweglichen Gegenstandes proportionales Signal geliefert wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Sekundärspulen identisch sind und die Differentialsignale eines jeden Spulenpaares in dem Verarbeitungsblock so verarbeitet werden, daß sie zum Ausgangssignal proportional zum Abstand des jeweiligen Spulenpaares vom Ausgangspunkt beitragen.

309832/0891

Le 3D rs e