DE2314363C3

DE2314363C3 - Magnetischer Verschiebungsfühler insbesondere für Pegelstandsmesser mit Schwimmer

Info

Publication number: DE2314363C3
Application number: DE2314363A
Authority: DE
Inventors: Lajos Ambrus; Henrik Karsai
Original assignee: REAKTIVA SZOEVETKEZET BUDAPEST
Current assignee: REAKTIVA SZOEVETKEZET BUDAPEST
Priority date: 1973-03-22
Filing date: 1973-03-22
Publication date: 1978-03-30
Also published as: DE2314363B2; DE2314363A1

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Verschiebungsmesser, insbesondere für mit Schwimmer arbeitende Pegelstantismesser mit digitaler Auswertung.

Bei den bekannten Vorrichtungen mit magnetischen Schwimmern wird eine dem gewünschten Auflösungsvermögen entsprechende Anzahl von Kontaktpaaren, z. B. in einer Flüssigkeit, angeordnet. Um einen Wasserspiegel von einem Meter mit einer Genauigkeit von einem Zentimeter messen zu können, ist daher je Zentimeter ein Kontakt vorzusehen, das sind also zusammen mit dem O-Kontakt insgesamt Einhunderteins Kontakte. Auf einen Meßbefehl hin tastet eine Elektronik der Reihe nach die Kontakte ab, bis sie an den ersten vorr> magnetischen Schwimmer erregten Kontakt gelangt. Am Ausgang wird dann pro abgetastetem Kontakt ein impuls abgegeben. Der erste erregte Kontakt unterbricht die Imrulsabgabe, und die Anzahl der an den Ausgang gelangten Impulse ergibt den Pegel oder den Flüssigkeitsstand in Zentimetern.

Eine von der Kostenseite aus veranstaltete Untersuchung zeigt, daß, insbesondere bei Messungen von hohen Pegeln, im Vergleich zur Elektronik die Abtastelemente den größeren Teil der Auslagen beanspruchen.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen besteht in der hohen Zahl der Zuleitungen zu den Kontakten. Eine Leitung je Meßpunkt ist vom Kostenstandpunkt, bezüglich der Montagearbeiten und Betriebssicherheit (hohe Anzahl von Lötpunkten) gleichermaßen nachteilig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in mit magnetisch erregten Kontakten arbeitenden Pegelstands- oder Verschiebungsmeßanlagen die Anzahl der einzubauenden Kontakte auf einen Bruchteil herabzudrücken, ohne aber damit den Meßbereich oder das Auflösungsvermögen zu beeinträchtigen. Dabei soll die Anzahl der das Abtastelement mit dem Meßsystem verbindenden Leitungsadern wesentlich vermindert werden und das Abtastelement eine derjenigen der bekannten Lösungen entsprechende Arbeit mit einer billigeren Elektronik leisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Auflösungsvermögen k die Magnetarmatur aus ·,',. Magneten besteht, wobei der Wert h ein

ganzzahliges, gerades Vielfaches des Wertes k ist, die Magnete durch nichtmagnetische Abstandsstücke voneinander getrennt sind, und der Wirkungsbereich de!

Magnetarmatur sich auf _Λ, + I Kontakte erstreckt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung fußt auf dem ία Grundsatz der sog. Doppeiabtastung. Diese besieht im wesentlichen darin, daß bei gegebenem Auflösungsvermögen und Meßbereich die Anzahl der zu verwendenden Kontakte auf den Λ-ten Teil herabgedrückt werden kann, wobei Λ eine gerade ganze Zahl ist. Vorausgesetzt 2s ist aber, daß am Schwimmer eine Magneteinheii untergebracht wird, welche in bestimmten Kombinationen mehr als ein Kontaktpaar erregen kann. Der von der Verminderung anhängige Wert der Anzahl der zu

erregenden Kontakte beträgt -,, +1.

Die Messung mit einer so ausgebildeten Vorrichtung erfolgt derart, daß die Elektronik die nichterregten Kontakte in der herkömmlichen Weise abtastet, jedoch sind bei dieser Abtastung, zufolge der Verminderung

.is der Kontakte auf Ι/Λ, nun für jeden abgetasteten offenen Kontakt, eine Anzahl h von Impuisen zu zählen. Gelangt nun die Elektronik zum ersten erregter: Kontakt, stellt sie das Zählen ab und schaltet auf die zweite Art der Abtastung um, bei der geprüft wird,

4(1 welche von den möglichen, im Wirkungskreis der Magneteinheit befindlichen Kontakten der Anzahl

■w.+ 1 in einem erregten Zustand sind. In Abhängigkeit

vom Befund werden 0, 1,2,3 ... Λ—I Impulse zu den

4S bisher abgezählten hinzugefügt. Die beiden Summen stellen zusammen das Meßergebnis dar.

Die Meßschaltung nähert sich also erst in Schritten der Größe h dem zu messenden Wert und untersucht anschließend, wo sich der genaue Wert innerhalb des

>o Teilungsabstands//befindet.

Zum Ablesen der von der Magneteinheil erregten Kontakte wird ein für den Zweck besonders zusammengestellter Gray-Kode verwendet. Dieser ordnet innerhalb einer Strecke der Größe Λ jeder dem Auflösungs-

ss vermögen k entsprechenden Entfernung eine und nur eine erregte Kontaktkombination zu. das heißt, daß die Meßschaltung die Lage der Magnetarmatur im Verhältnis zur geschätzten Kontaktreihe immer mit der Genauigkeit des Auflösungsvermögens k bestimmen

ho kann.

Zwecks Verminderung der Zuleitungen werden die Kontaktlcitungcn an der einen Seite in Gruppen von Gliedern einer Anzahl m gebündelt. Bei Abtastung werden diese Gruppen einzeln der Reihe nach

('s bezeichnet. Die Kontaktieitungen an der anderen Seite werden mit je einer //; Zahl multipliziert. Wird für den Synchronismus der Bezeichnung der beiderseitigen Kontaktleitungen gesorgt, so kann in dieser Anordnung

ein jeder beliebiger Kontakt bei Verwendung von einer bedeutend geringeren Zahl von Zuleitungen abgetastet werden.

Die Meßschaltung kann zweckmäßigerweise an den Träger der Kontakte montiert werden, und diese Fühlerarmatur ist mit der Meßstation nur über drei Leitungen verbunden. Dadurch werden die Kosten des den Fühler mit der Meßsta'.ion verbindenden Kabels auf einen Bruchteil vermindert; z. B. im Falle eines Wasserstandsn;essers mit großem Meßbereich.

Dieselbe Fühlerarmatur kann praktisch bei jeder anderen Verschiebungsmessung vorteilhaft verwendet werden.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben, es zeigt

Fig. 1 den Querschnitt einer möglichen Anordnung der Kontaktreihe und des Magnetschwimmers,

Fig. 2 die Relativlage der Kontaktreihe und der Magnetarmatur im Falle von h = 4Ar und

Fig.3 eine Ausführungsform der das Prinzip der Doppclablastung verwirklichenden Meßschaitung.

In Fig. 1 ist eine mögliche Anordnung der Kontaktreihe und des Magnetschwimmers dargestellt. Hier sind die Kontakte K an der Tragplatte TL mit gleichmäßigem Teilungsabstand angeordnet. Die Kontaktreihe ist in dem nichtmagnetischen Schutzrohr N so angeordnet, daß die Kontakte K an der Stirnplatte des Schutzrchrs N anliegen. Das Schutzrohr taucht in die zu messende Flüssigkeit zweckmäßigerweise senkrecht ein. Um das Schutzrohr ist der den Magnet P enthaltende Schwimmer U mit Spiel angeordnet, so daß er praktisch unbehindert den Flüssigkeitsschwankungen folgen kann.

Die Detailabtastung wird dadurch ermöglicht, daß an der Kontaktreihe eine Magnetarmatur entlangschwimmt, welche im Falle einer Verschiebung in jeder Entfernung vom Auflösungsvermögen Ar jeweils eine andere Kontaktkombination erregt. Siehe Abbildung 2, wo Λ=4 k ist.

Bei Detanabtastung ist der von der Magnetarmatur erregte Kode ein speziell für diese Aufgabe ausgestalteter Gray-Kode. Dieser ordnet also bei jeder Verschiebung des Schwimmers dem Pegel je Auflösungsvermögen eine eindeutige, erregte Kontaktkombination zu, in welcher sich im Vergleich zum früheren Zustand nur ein einziges Bit verändert hat.

Das Kennzeichen des Kodes besteht darin, daß er in jeder Position zur absoluten Ablesung geeignet ist.

Im Falle der Anordnung gemäß dem Beispiel, bei dem Λ = 4 Ar ist, geschieht die Detailabtastung folgendermaßen:

Die in Fig. 2 dargestellte Magnetarmatur erregt diejenigen Kontakte, zwischen welchen ein Magnet

angezeigt ist. Die Einheit der Auflösung ist Ar = ^.

a) Wenn der Wasserstand sich auf Nullnivcau befindet, wird nur der Kontakt »0« erregt;

b) bei einem Wasserstand von I cm werden die Kontaktpaare »0« und »8« erregt;

c) bei einem Wasserstand von 2 cm werden die Kontaktpaare »0«. »4« und »8« erregt;

d) bei einem Wasserstand von 3 cm werden die Kontaktpaare »0« und »4« erregt;

e) bei einem Wassersland von 4 cm wird das Kontaktpaar »4'< erregt, usw.

Bei weiterem Anstieg des Schwimmers wiederholen sich die Kombinationen zyklisch, gemäß dem Teilungsabstand.

Werden die obigen Kombinationen in einer Tabelle zusammengefaßt, so ergibt sich folgendes:

> Tabelle I	ü	(cm)	Kode	Die dem
Wasserstand	5		Kode ent
	4		sprechende
	⁵ 3		Impuls/ahl
2		(Element)
I	01010	5
0	01000	4
	HOO	3
1110	2
1010	1
1000	0

Bemerkung:

In der /weiten Spalte der Tabelle kennzeichnen die einzelnen Ziffern von links nach rechts nacheinander den ErregungsyusUind der übereinander angeordneten Kontakte. »1« bedeutet den erregten Zustand, »0« den nichterregten Zustand.

Bei der Messung ordnet die Abtastelektronik bis zum Aufprüfen auf den ersten erregten Kontakt in dem vorliegenden Beispiel je vier — im allgemeinen eine

■^w dem Verhältnis -,. entsprechende Anzahl — Ausgangsimpulse jedem abgetasteten, nichterregten Kontaktpaar zu. Der erste erregte Kontakt sperrt den Ausgang, und die Abtastelektronik ordnet nach dem nächsten .15 erregten Kontakt einen einzelnen Ausgangsimpuls zu. Folgt unmittelbar nach dem ersten erregten Kontakt ein weiterer erregter Kontakt, so kehrt sich die Funktion der Abtastelektronik nach dem letzten Impuls um und ordnet zu jedem weiteren erregten Kontakt einen Ausgangsimpuls zu.

Durch diesen Betrieb kann der sich zyklisch wiederholende Kode eine kontinuierlich zunehmende Zahlenreihe herste'len.

Dasselbe Prinzip kann im allgemeinen im Falle eines Teilungsabstandes vom Wert h verwendet werden, wobei der Wert h das beliebige ganze Vielfache von 2 ist.

Die Veränderung des Teilungsabstandes hat, wie erwähnt, die Veränderung der Längenabmessung der Magnetarmatur zur Folge.

Die kennzeichnenden Eigenschaften des zur Detaiiabtastung zweckmäßigerweise verwendbaren Gray-Kode sind folgende:

1. rje.'. einer Verschiebung je Längeneinheit verändert 5.s sich der von den durch die Magnetarmatur

erregten Kontakten gestaltete Kode in Vergleich zu dem vorigen Zustand immer nur mit einem Bit; 2. dieser Kode ist absolut auslesbar, es spielt also keine Rolle, in welcher Richtung und in welcher do Reihenfolge die Elemente des Kodes sich verändern;

i. der Kode besteht aus

Elementen, wobei h

eine gerade Grundzahl ist;

4. der Kode enthält eine Anzahl h von untereinander verschiedenen Kombinationen;

5. der Kode ist zyklisch;

6. der Kode kann nicht nur »0« enthalten, d. h.. es ist

ausgeschlossen, dall
niehtcrregl sind;

7. in der niedrigwertigen Hälfte eines Zyklus des verwendeten Kodesystems folgt nach dem ersten »I« immer ein »0«. während in der höherwertigen (zur größeren Ausgangsimpiilszahl gehörigen) Hälfte nach dem ersten »I« immer wieder ein »I«' folgt:

8. der Kode beginnt, von der niedrigwertigen Seite gesehen, immer mit »I«.

|c ein Zyklus einiger Lösungen kleinerer Klemenlcnzahl des die obigen Bedingungen erfüllenden Kodesystems wird in einer der Tabelle 1 ahnlichen Anordnung dargestellt.

Hier sind die Reihen immer bis zu den /rzähligcn Kontakten gezeichnet, da die Detailabtastung sich auf so viele Kontakte erstreckt (sinne Beschreibung der F ι g- 3)

Il //	4 11(10 /?	(i I KKK)(I h	H I KI(KK)(I(I
κι	MI(I	~~ I I K)OO	IH(KK)(K)
	HII(I	1111(10	11 K)I(KK)
	KKK)	K)I KK)	I Il I K)(KI
		HK)IOO	K)I I K)(K)
		10000(1	K)I KKXK)
			1(IKKK)OO
			KX)O(KK)O

.ille Kontakte gleichzeitig aus der Anzahl 4 1 der zu überdeckenden Kontakte;

die Anzahl der die Magnetarniatur bildenden einzelnen Magnete ergibt sich aus dem Verhältnis ,. . Die Tabelle

2 weist hierzu Reihen der Anzahl h /1 und Spalten der Anzahl h auf. |edc »I« bedeutet einen Magneten der F.inheitslä'ngc, und jede »0« ein nicht magnetisches Abstandsstück der Finhcitslängc.

Bei der obigen Ausführungsform, bei der das Auflösungsvermögen A = I cm und der Teiliingsabstand /i = 4cm sind, besieht die Magnetarniatur aus einer Magnetstrecke von sechs Einheiten und einer von zwei Einheiten, und zwischen den beiden befindet sich ein nichtmagnetisches Intervall von drei Einheiten, wie in der in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2

10 0 0
10 10
I I I 0
I 10 0
0 1 0 0
0 10 1
Olli
0 110
0 0 I 0

ο ο ι ο

0 0 I

0 0 1

0 0 0

Bemerkung: Die Bedeutung der einzelnen Ziffern isl idcnii'-ch mit der in Tabelle I.

Die Reihen der Tabelle befinden sich in senkrechter Richtung in einer Entfernung voneinander, die dem Auflösungsvermögen k entspricht. In dem vorliegenden Beispiel bedeuten also vier nacheinander Olgende Reihen eine Höhe von h.

Die zur Durchführung der Doppalabtastung geeignete elektronische Schaltung wird aufgrund der F i g. 3 beschrieben.

Im Ausführungsbeispiel ist h = 4 k. Es werden im Ruhestand geöffnete, in erregtem Zustand geschlossene also Arbeitskontakte verwendet. In F i g. 3 sind die schon beschriebenen Kontaktreihen K und die Magnetarmatur ^angedeutet.

Zunächst wird der monostabile Multivibrator MS durch Anlagen der Speisespannung durch Betätigung des Druckknopfes G in Betrieb gesetzt. Er bringt die ganze Schaltung in Nullstellung. Nach dem Ablauf der Verzögerungszeit kippt der monostabile Multivibrator MS zurück, wodurch der bistabile Multivibrator BS in Gang gesetzt wird Damit beginnt der taktgebende instabile Multivibrator AS zu arbeiten, und die Abtastung läuft. Die Signale des Taktgebers kommen einerseits durch den Ausgangstorkreis KA zum Ausgang, andererseits durch den Torkreis T zum Vierbasenzähler R. Während der ersten vier Impulse sind die Zähler Fund H noch in der Nullstellung. Das bedeutet daß der Abtastkreis Ai den Nullausgangspunkt der Kontaktkette, der Auswahlkreis / dagegen den Nulleingangspunkt der Kontaktkette betätigt

Der Zähler F wird durch den Zähler R nach je h

Die Reihen stellen von unten nach oben gelesen die Verschiebung der Magnetarmatur je F.inheit von dem kleineren gemessenen Wert z.u dem größeren dar. während die Spalten von links nach rechts den zu dem. von den einzelnen Reihen bestimmten, gemessenen Wert gehörenden Zustand je eines Kontaktes angeben.

Die geometrischen Abmessungen einzelner Magnete der Magnetarmatur bzw. diese selbst können unter Berücksichtigung der folgenden Faktoren bestimmt werden.

1 Der Polabstand N-S. d h. die Breite der Magnete, ist von gleicher Größenordnung wie die Länge der Kontakte.

2. Die zur F.bene der Kontakte senkrechte Abmessung der Magnete kann beliebig sein,
"i. Die Längen und die Entfernungen der Magnete voneinander können aufgrund der nachfolgenden Tabelle 2 bestimmt werden.

4. Die in der nachfolgend beschriebenen Weise ausgestaltete Magnetarmatur soil der Kontaktreihe entlang so angeordnet werden, daß die längste Magnetstrecke ^:n Richtung des Beginns der Abtastung unten fällt.

Unter der effektiven Länge eines Magneten sol! dabei die Entfernung verstanden werden, die der Magnet während des Betriebs bei gleichgerichteter Bewegung vorn Schließen bis zum Öffnen des Kontaktes zurücklegt. Diese Länge ist im wesentlichen der zur gegebenen Anordnung gehörige Wirkungsbereich des Magneten bezogen auf die Ebene der Kontakte. Im allgemeinen stimmt diese mit den geometrischen Abmessungen des Magneten nicht überein.

Zu einer Art Kontaktreihe mit einem gegebenen Teilungsabstand der Größe h ist jeweils nur eine Magnetarmatur geeignet. Die Bestimmung der Längenabmessungen der Magnetarmatur kann nach der Wahl des Teilungsabstands der Größe h bzw. des Auflösungsvermögens k folgendermaßen durchgeführt werden: Die Längenabmessung der Magnetarmatur ergibt sich

Impulsen, d. h. nach je vier Impulsen, weitergeschaltet, wobei die Ausgangsimpulse des Zählers F zur Weiterschaltung des Zählers //dienen. Die Elektronik arbeitet in dieser Weise bis zum Erreichen des ersten erregten Kontakts.

Beim Erreichen des ersten erregten Kontakts verändert sich der Ausgangspegel des Abtastkreises M, schliefe den Ausgangstorkreis KA, schaltet den Torkreis T so um, daß einerseits von nun an jeder einzelne vom taktgebenden instabilen Multivibrator AS kommende Impuls den Zähler F wiiterschaltet, andererseits der auch weiterhin zählende Zähler R mit dem nächsten Λ-zähligen Impuls den bistabilen Multivibrator BSzurückschaltet, wodurch die Abtastelektronik ausgeschaltet wird. Ferner wird, wenn das zweite Bit der Detailabtastung »1« war, der Ausgangstorkreis KA so geschaltet, daß danach die Kontaktkettc nicht i:ii Zustand »1« ihrer Kontakte, sondern im Zustand »0«

Aticffanaccionalt* conflel

Der Zähler R arbeitet dem Auflösungsvermögen der Magnetarmatur entsprechend der h/k-Basis. Der Zähler Fweist eine Basis auf, die identisch mit der Anzahl der Eingänge des Abtastkreises Λ/ist. Der Zähler /Vhat eine beliebige Basis. Der Meßbereich des Gerätes ist das Produkt der Basen der Zähler R, Fund H.

Falls alle Stromkreise gemäß F i g. 3 im Schutzrohr /V angeordnet sind, was technisch leicht durchführbar ist, wird nur ein vieradriges Kabel zwischen dem Fühler und der Meßstation benötigt. Wenn auf die unmittelbare Druckknopfbetätigung der Abtastelektronik verzichtet wird, reichen drei Verbindungsleitungen aus.

Der hier betriebene Fühler kann nicht nur zur Pegelstandsmessung, sondern an jeder Stelle verwendet werden, an der eine Verschiebung in bezug auf eine Skala gemessen werden soll, welche durch eine Kontaktreihe gebildet werden kann.

Der Pegelmesser kann an kritischen Stellen z. B. zur Ablesung von Waagen verwendet werden. Auch ist die senkrechte Anordnung nicht unbedingt erforderlich, da die Magnetarmatur anstatt an einem Schwimmer an einem Sich um Eine Achse drehenden Hebel angebracht werden kann, während die geschützten Kontakte als Abbildung einer Skala eingesetzt werden können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Magnetischer Verschiebungsfühler, insbesondere für mit Schwimmer arbeitende Pegelstandsmesser mit digitaler Auswertung, der entlang der Verschiebungsstrecke in gleichem Teilungsabstand voneinander angeordnete magnetisch erregbare Kontakte aufweist, die mit einer Meßschaltung verbunden und durch eine über die Meßstrecke verschiebbare Magnetarmatur erregbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Auflösungsvermögen k die Magnetarmatur aus -,, Magneten

besteht, wobei der Wert Λ ein ganzzahliges, gerades Vielfaches des Wertes k ist, die Magnete durch nichtmagnetische Abstandsstücke voneinander getrennt sind, und der Wirkungsbereich der Magnetarmatur sich auf -,^. + I Kontakte erstreckt.