DE2349015C3

DE2349015C3 - Mechanisch-elektrischer Wandler mit Feldplatte

Info

Publication number: DE2349015C3
Application number: DE19732349015
Authority: DE
Inventors: Otto Dr.Phil. 8013 Haar Macek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-28
Filing date: 1973-09-28
Publication date: 1981-09-10
Also published as: DE2349015B2; DE2349015A1

Description

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V = U₀ ' (11 ■ COS id t

(2)

= C ■ H

(3)

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen mechanischelektrischen Wandler mit einer in einem Feld eines Magneten schwingenden stromdurchflossenen Feldplatte.

Führt ein Leiter der Elektrizität z. B. eine lineare Feldplatte senkrecht zu einem homogenen Magnetfeld eine sinusförmige Bewegung aus, so kann diese Bewegung durch die Gleichung

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a = a₀ · sin m t (1)

ausgedrückt werden, worin:

a den Schwingungsweg

ao die Amplitude der Schwingung und

ω die Frequenz der Schwingung

bedeuten.

Die Geschwindigkeit dieser Bewegung ist durch die erste Ableitung des Weges nach der Zeit gegeben, d. h., die Geschwindigkeit ν ist durch die Gleichung

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gegeben. Die Geschwindigkeit ν ist also der Frequenz der Schwingung proportional.

In einer eben ausgebildeten Feldplatte, die in einem homogenen Magnetfeld Schwingungen der vorgenannten Art ausführt, wird dabei eine Spannung induziert, welche der Geschwindigkeit ν und dem Magnetfeld proportional ist. Bezeichnet man das Magnetfeld mit H, so gilt für die induzierte Spannung Ui_nJ-.

In dieser Gleichung stellt der Faktor C eine Konstante dar. Die Amplitude der induzierten Spannung um ist also proportional zur Frequenz, so daß eine Frequenzentzerrung vorgenommen werden muß, wenn ein derartiger mechanisch-elektrischer Wandler in einem Bereich von Frequenzen betrieben werden soll (üblicher induktiver Geber).

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen mechanisch-elektrischen Wandler der in Rede stehenden Art anzugeben, bei dem das magnetisch induzierte Signal mit seiner Frequenzunabhängigkeit der Amplitude weitestgehend unterdrückt, ist

Diese Aufgabe wird bei einem mechanisch-elektrischen Wandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Feldplatte eine gerade Anzahl von bifilar geführten Leiterbahnen aufweist, und daß der Magnet so ausgebildet ist, daß sein Magnetfeld in bezug auf seine Achse symmetrisch inhomogen ist

Die Erfindung wird in folgendem anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt

Fig. la und Ib eine erste Ausführungsform eines mechanisch-elektrischen Wandlers gemäß der Erfindung,

Fig.2 ein Schaltbild einer Brückenschaltung, in welche die Feldplatte des mechanisch-elektrischen Wandlers nach F i g. 1 eingeschaltet ist,

Fig.3a und 3b eine zweite Ausführungsform eines mechanisch-elektrischen Wandlers gemäß der Erfindung und

Fig.4a und 4b, Fig.5a und 5b eine dritte Ausführungsform eines mechanisch-elektrischen Wandlers gemäß der Erfindung.

Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Wandlers nach F i g. 1 ist ein Magnet vorgesehen, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich dessen Pole 1 und 2 schematisch dargestellt sind. Dabei möge beispielsweise der Pol 1 der Nordpol und der Pol 2 der Südpol des Magneten sein. Diese Pole sind gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung so ausgebildet, daß sie in bezug auf eine Mittellinie 11 von außen nach innen spitz zulaufen. Da sich somit die Spaltbreite des Magneten — in der Zeichenebene gesehen — in vertikaler Richtung von außen nach innen auf die Mittellinie 11 zu stetig ändert, ist das Feld dieses Magneten derart inhomogen, daß es von der Mittellinie aus gesehen von einem Maximalwert in dieser Mittellinie bis zu den Rändern stetig abnimmt. Im Feld dieses Magneten schwingt nun eine schematisch dargestellte Feldplatte 3 in Richtung von Pfeilen 9 und 10 sinusförmig.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist nun die in Fig. Ib im einzelnen dargestellte Feldplatte mit bifilar geführten Leiterbahnen 4 und 5 versehen. Diese Leiterbahnen sind auf der einen Seite über einen gemeinsamen Kontakt 6 verbunden und auf der anderen Seite mit jeweils einem getrennten Kontakt 7 bzw. 8 versehen.

Diese Feldplatte 3 gemäß F i g. 1 ist also im Spalt des Magneten zwischen den Polen 1 und 2 so angeordnet, daß das zwischen diesen verlaufende Magnetfeld die Schenkel 4 und 5 senkrecht durchsetzt. In der mechanischen Ruhelage liegen dabei die Schenkel 4 und 5 symmetrisch zur Mittellinie 11.

Da das Magnetfeld /.wischen den Polen 1 und 2 in der oben beschriebenen Weise inhomogen ist, ergeben sich bei Schwingungen der Feldplatte 3 in diesem Feld aufgrund der sich ändernden Feldwerte Widerstandsänderungen, welche dem Feldwert proportional sind. Zur

Erläuterung der grundsätzlichen Wirkungsweise des magnetisch-elektrischen Wandlers gemäß der Erfindung sei angenommen, daß die Schwingungsamplituden klein sind und daß die Feldplatte 3 eine sinusförmige Schwingung ausführt Bezeichnet man die Widerstandsänderung mit dR, so gilt unter den vorstehenden Voraussetzungen:

dR = C₁ sin mi

(4)

Liegt die Feldplatte in einem Spannungsteiler an einer Betriebsgleichspannung, so gilt für die Spannung u an der Feldplatte:

IO

u = Uo + C-2 ■ sin a) t

(5)

worin:

Uo den Gleichspannungsanteil bei im Magnetfeld ruhender Feldplatte und

der zweite Summand mit einer konstanten Amplitude Ci den sich aufgrund der Schwingung ergebenen Spannungsanteil

bedeuten.

Aus dieser Beziehung ist zu ersehen, daß die Amplitude der sich aufgrund der Widerstandsänderungen der Feldplatte ergebenden Spannung unabhängig von der Frequenz ist.

Zusätzlich zu dieser sich aus den Widerstandsänderungen ergebenden Spannung tritt noch eine induktive Komponente auf, welche in Form der Gleichung (3) angegeben werden kann. Betrachtet man das inhomogene Magnetfeld in bezug auf ein in der Feldplatte verankertes Bezugssystem, so kann das Magnetfeld bei sinusförmiger Schwingung der Feldplatte als aus einer konstanten Komponente H₀ und aus einer sinusförmigen Komponente zusammengesetzt gedacht werden.

Es gilt dann:

H = H₀ + h sinmf

(6)

»im = C(H₀ + ftsinmt) · f/)cosmf
Daraus ergibt sich nach Umformung:

St -\—^i

J0

worin:

h die Amplitude des sinusförmigen Anteils des Magnetfeldes

Aus Gleichung (1) ergibt sich dann für die induzierte Komponente der an der Feldplatte stehenden Spannung:

(7)

(8)

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Aus dieser Gleichung ist zu ersehen, daß sich die induzierte Spannung aus zwei Komponenten zusammensetzt, und zwar aus einer Grundschwingung und bo einer Oberschwingung mit jeweils frequenzabhängiger Amplitude.

Dieser induktive Spannungsanteil wird nun dadurch unterdrückt, daß die Feldplatte erfindungsgemäß eine gerade Anzahl von bifilar geführten Leiterbahnen b5 aufweist, welche bei der Ausführungsform nach Fig. Ib gleich 2 ist. Auf diese Weise wird die Selbstinduktion der Feldplatte soweit herabgedrückt, daß der induktive Anteil der an ihr stehenden Spannung praktisch vernachlässigbar ist und nur noch der in der Amplitude frequenzunabhängige, sich aufgrund der Widerstandsänderung ergebende Spannungsanteil gemäß Gleichung (5) verbleibt Gemäß F i g. 1 a ist nämlich das Magnetfeld zwischen den Polen 1 und 2 für die obere und untere Leiterbahn 4 bzw. 5 symmetrisch, so daß die induktive Komponente in beiden Leiterbahnen gleich groß ist

Schaltet man die beiden Leiterbahnen 4 und 5 gemäß Fig.2 zusammen mit einem Widerstand 21 in eine Brückenschaltung, welche aus einer Spannungsquelle 26 an einem Punkt 23 und einem Schieber 22 des Widerstands 21 mit einer Spannung versorgt wird, so kann ein Signal im Nullzweig der Brücke an Punkten 24 und 25 abgenommen werden. Durch Abgleichen der Brücke über den Widerstand 21 kann die Spannung an den Punkten 24 und 25 bei ruhender Feldplatte 3 zwischen den Polen 1 und 2 (F i g. la) auf Null eingestellt werden. Bei der Ausführungsform nach den F i g. la und Ib ist wie oben ausgeführt, die induktive Komponente in den beiden Leiterbahnen 4 und 5 gleich groß und gleich gerichtet

Somit tritt zwischen den Punkten 24 und 25 kein induktiver Spannungsanteil erster Ordnung mehr auf.

Gemäß Fi g. la wird im Teil oberhalb der Mittellinie 11 das inhomogene Magnetfeld schwächer, d. h, bei einer Bewegung der Feldplatte 3 in Richtung des Pfeiles 9 nimmt der Widerstand der oberen Leiterbahn, beispielsweise der Leiterbahn 4, ab, während gleichzeitig der Widerstand der unteren Bahn, beispielsweise der Bahn 5, auf Grund des Eintretens in ein zunehmend stärker werdendes Feld größer wird. Die dabei an den Punkten 24 und 25 in der Brücke nach Fig.2 auftretende, in der Amplitude frequenzunabhängige Spannung kann beispielsweise durch einen (nicht dargestellten) Differenzverstärker verstärkt werden.

In den F i g. 3a und 3b ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der Pole 31 und 32 eines Magneten Fig.3a mehrfach spitz zulaufend ausgebildet sind. Im Spalt zwischen diesen Polen 31 und 32 schwingt eine Feldplatte 33, welche in Fig.3b im einzelnen dargestellt ist.

Diese Feldplatte 33 besitzt sechs Leiterbahnen 34 bis 39, welche auf einer Seite jeweils paarweise durch Kontakte 40, 41 und 42 zusammengefaßt sind, während auf der anderen Seite dieser Leiterbahnen jeweils ein Einzelkontakt 46, 47, 48, 49, 50 und 51 vorgesehen ist. Die Kontakte 40 bis 42 sind über Leitungen 43 und 44 verbunden, wobei die Leitung 45 zu einem Außenanschluß 56 führt. Auf der Seite der Einzelkontakte 46 bis 51 sind Verbindungen 51 bis 55 vorgesehen, wobei eine Leitung 57 vom Kontakt 45 zu einem Anschluß 58 und eine Leitung 59 vom Kontakt 51 zu einem Anschluß 60 führt.

Bei dieser Ausführungsform besteht die Gesamtfeldplatte 33 aus drei parallelgeschalteten Feldplatten gemäß Fig. Ib.

Wie F i g. 3a erkennen läßt, haben die Pole 31 und 32 eine solche Form, daß jede der parallelgeschalteten Einzelfeldplatten einem spitz zulaufenden Bereich zugeordnet ist.

Die Feldplatte nach Fig.3b kann derart in eine Brücke gemäß Fig.2 eingeschaltet werden, daß die Anschlüsse 58 und 60 im Nullzweig (entsprechend den Punkten 24 und 25 nach F i g. 2) und der Anschluß 56 an einer Seite der Betriebsspannungsquelle (entsprechend dem Punkt 23 in Fi g. 2) liegen. Wegen der größeren Belastbarkeit der Feldplatte 33 nach F i g. 3b kann die

gleiche Betriebsspannung wie im Falle der Feldplatte nach Fig. Ib verwendet werden, so daß der Ausgang der als Generator anzusehenden Brückenschaltung eine niedrigere Impedanz hat. Dies ist bei transformatorischer Weiterübertragung von Vorteil.

In den Fig.^a und 4b ist eine kreissymmetrische Ausführungsforr., der Erfindung dargestellt. Gemäß Fig.4a wird durch einen Dauermagneten 70 eine Basisplatte 71, zwei Schenkel 72 und 73, ein spitz zulaufender äußerer Pol 75 sowie einen inneren Pol 76 ein magnetischer Kreis gebildet, in dem eine generell mit 77 bezeichnete kreisrunde Feldplatte schwingt. Diese Feldplatte ist mit einer kreisrund zusammengebogenen Feldplatte gemäß F i g. Ib vergleichbar.

In den Fig.5a und 5b ist die Ausgestaltung des äußeren Pols 75 sowie des inneren Pols 76 perspektivisch dargestellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mechanisch-elektrischer Wandler mit einer in einem Feld eines Magneten schwingenden stromdurchflossenen Feldplatte, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldplatte (3; 33; 77) eine gerade Anzahl von bifilar geführten Leiterbahnen (4, 5; 34,35,... 39) aufweist und daß der Magnet (1,2; 31, 32; 70, 71, 72, 73, 75, 76) so ausgebildet ist, daß sein Magnetfeld in bezug auf eine durch seine Pole verlaufende Achse symmetrisch inhomogen ist

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (1, 2) in bezug auf ihre Mittellinie spitz zulaufen.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (31, 32) des Magneten mehrere spitz zulaufende Bereiche aufweisen und jedem spitz zulaufenden Bereich ein bifilar geführtes Leiterbahnpaar (beispielsweise 34, 35) der Feldplatte (33) zugeordnet ist..

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pole (75, 76) des Magneten kreisförmig und in bezug auf eine diametrale Mittellinie spit/ zulaufend ausgebildet sind und daß die Leiterbahnen der Feldplatte kreisförmig ausgebildet sind.