DE2415232A1 - Elektromagnetischer weggeber - Google Patents

Description

• Elektromagnetischer Weggeber Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Weggeber, bestehend aus einem mit einer Wicklung versehenen Element und einem darin angeordneten, verschiebbaren Kern, wobei die Wicklung in eine elektrische Schaltungsanordnung zur Umwandlung des Weges in eine diesem Wege proportionale elektrische Größe und zu deren Anzeige aufgenommen ist.
• Zur analogen Messung von Verschiebungen sind im wesentlichen drei Aufnehmerarten bekannt, nämlich Widerstandsaufnehmer, induktive Wegaufnehmer und Differentialtransformatoraufnehmer.
• Bei fast allen bekannten induktiven und transformatorischen Aufnehmern für große Wege wird die Induktivität bzw. Kopplung durch Verschiebung eines ferromagnetischen Kern geändert.
• Nachteilig ist Jedoch das große Verhältnis der mechanischen Baulänge zum nutzbaren Hub, das in der Regel 3 : 1 beträgt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weggeber der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei hohem Auflösungsvermögen und guter Linearität sowie Brauchbarkeit für große Verschiebwlgen ein wesentlich günstigeres Verhältnis zwischen mechanischer Baulänge und nutzbarem Hub aufweist.
• Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß das Element aus zwei parallel zueinander angeordneten, weichmagnetischen Stäben besteht, deren einer die Wicklung trägt, und daß der Kern aus weichmagnetischem Material mit einer zweiten Wicklung versehen ist, die von einem Oszillator gespeist ist, dessen Ausgangsspannung zugleich mit der in der ersten Wicklung induzierten Spannung einem phasenabhängigen Gleichrichter zugeführt ist, dessen Ausgang ein Anzeigeinstrument speist.
• Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher beschrieben. Darin zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Weggebers, Fig. 2 ein Ersatzschaltbild, Fig. 3 ein elektrisches Prinzipschaltbild, und Fig. 4 ein Weg-Spannungs-Diagramm.
• Zwei Stäbe 1,2 mit rechteckigem Querschnitt aus weichmagnetischen Material sind in einem bestimmten Abstand parallel zueinander angeordnet. Auf einem oder beiden ist eine erste Wicklung 3 mit w2 Windungen gleichmäßig über die gesamte Länge aufgebracht.
• Zwischen den beiden Stäben ist ein Kern 4 aus weichmagnetischem Material geführt, der eie zweite Wicklung 5 trägt und der über die gesamte Länge der ersten Wicklung 3 verschoben werden kann.
• Der nutzbare Hub der Anordnung ergibt sich aus der Lange 1 der ersten Wicklung 3 vermindert um die Kernbreite. Wird die zweite Wicklung 5 mit Wechselstrom aus einem Oszillator 6 erregt, bildet sich ein Wechselfluß b1 aus, der sich in den Längsstäben 1,2 in zwei Teilflüsse b21 und a22 aufteilt, die sich über die beiden Lufträume zwischen den Längsstäben rechts und links des Kernes 4 schließen. Die beiden Teilflüsse sind gegenphasig mit der ersten Wicklung 3 verkettet. Die Amplitude der in dieser Spule 3 induzierten Spannung U2 und ihre Phasenlage zur Primärspannung wird durch die Größen der beiden Teilflüsse #21 und #22 und die Größen der beiden Wicklungsabschnitte w21 und w22 (Fig. 1) bestimmt: d# d U2 = w dt = dt ( w # # # sin#t) (1) U2 = # (w21 #21 - w22 #22)cos#t = ##2 cos#t (2) Die Größen der beiden Teilflüsse #21 und #22 werden im wesentlichen durch die magnetischen Leitwerte der beiden Lufträume festgelegt, die sich ebenso wie die Wicklungsabschnitte linear mit der Kernstellung ändern. Zur Berechnung des mit der ersten Wicklung 3 verketteten Läuferflusses wird der-besseren Ubersichtlichkeit wegen von den Analogiebeziehungen zwischen elektrischem und magnetischem Kreis Gebrauch gemacht. Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Ersatzbild. Dabei entspricht der magnetische Fluß § dem elektrischen Strom I, die magnetische Spannung Vm der elektrischen Spannung U und der magnetische Widerstand Rm dem elektrischen Widerstand R.
• In Fig. 2 wird der magnetische Widerstand Re der Eisenstäbe 1,2 unabhängig von der Kernstellung als konstant angenommen. In Wirklichkeit ändert sich der Widerstandsabschnitt rechts und links der Kernes 4 mit der Kernstellung, und zwar umgekehrt proportional wie die beiden Widerstände der Lufträume. Der Gesamtwiderstand Re bleibt allerdings konstant. Um diesen Einfluß zu erfassen, müßte das Ersatzbild als vermaschtes Netzwerk mit Längs- und Querwiderstand betrachtet werden. Infolge der magnetischen Spannungsabfälle an den Längswiderständen, die von der Permeabilität des Eisens abhängen, ist der Flußverlauf von b21 und 622 in Abhängigkeit von der Kernstellung nicht exakt linear. Dieser Linearitätsfehler, der bei Verwendung ferromagnetischen Materials mit guter magnetischer Leitfähigkeit sehrkDin gemacht werden kann, soll bei der folgenden qualitativen Betrachtungsweise vernachlässigt werden.
• Die beiden Teilflüsse #21 und #22 in Abhängigkeit von der Kernstellung ergeben sich aus Fig. 2 zu: 21 = + 'L tL (3) 22 bO çL l (4) Hierbei ist iL der gesamte Fluß, der sich über den Luftraum zwischen den beiden Eisenstäben 1,2, und {O der Fluß, der sich jeweils über die Stirnflächen am Anfang und Ende des Weggebers schließt.
• Zur Ermittlung des gesamten mit der ersten Wicklung 3 verketteten Flusses #2 müssen die beiden Teilflüsse jeweils über die zugehörigen Wicklungsabschnitte w21 und w22 integriert werden, wobei der Spulenfluß in x-Richtung positiv gezählt wird: w2 mit dw = d x folgt 1 W2 mit dw = d x folgt 1 Der Spulenfluß in einer beliebigen Kernstellung # ergibt sich zu: Der Fluß in Wicklung 3 ist nur abhängig von dem Fluß #1 in der zweiten Wicklung 5, der Windungszahl w2 (erste Wicklung 3), der Wicklungslänge l und der Kernstellung #. Bei einer Kernstellung in der linken Weggeberseite ist der Fluß #2 positiv, in der Mitte null und in der rechten Seite negativ. Die induzierteSpannung ergibt sich mit Gleichungen 2 und 7 zu: W2 U2 = # #1 (# - #) cos#t (8) Die Anplitude der Sekundärspannung (in Wicklung 3) ist proportional zur Verschiebung # und ändert sich jeweils in beiden Spulenhälften von Spulenmitte zum Anfang bzw. Ende der Spule von null auf den maximalen Wert # # W2 #. Die Information, 21 1 in welcher Spulenhälfte sich der Kern 4 befindet, liefert das Vorzeichen der Sekundärspannung, das durch die Phasenlage der induzierten Spannung zur Primärspannung, die in einem phasenempfindlichen Detektor 7 ausgewertet wird, erfaßt werden kann.
• Fig. 3 zeigt eine Prinzipschaltung und Fig. 4 (Gerade a) die an einem Weggeber gemäß der Erfindung gemessene Kennlinie.
• Die Anordnung arbeitet prinzipiell auch dann, wenn der Eisenkreis ganz geschlossen ist.In diesem Fall ist die Amplitude der induzierten Spannung aber wesentlich kleiner, wie die gemessene Gerade b in Fig. 4 zeigt. Bei geschlossenem Eisenkreis verläuft der wesentliche Flußanteil der beiden Teilflüsse #21 und 22 über den Eisenkreis. Da sich die magnetischen Widerstände der beiden Eisenabschnitte mit der Verschiebung aber umgekehrt proportional wie die magnetischen Widerstände der Lufträume ändern, arbeiten die Flußänderungen in dem Eisenkreis während der Verschiebung so gegeneinander, daß der resultierende Fluß vermindert wird.
• Ersetzt man den Kern 4 aus weichmagnetischem Material durch einen Permanentmagneten, der so magnetisiert ist, daß das Magnetfeld und die Ankerdrähte in dem Fenster senkrecht aufeinander stehen, und speist man die Wicklung 3 auf dem Längs stab 1 mit Gleichstrom, arbeitet die Anordnung als linearer Gleichstrommotor. Wickelt man bei diesem Motor um den Kernmagneten die Wicklung w1 und bringt man auf dem zweiten Längs stab 2 eine zusätzliche Spule auf, könnten Motor und Weggeber in einer Einheit integriert werden, falls durch geeignete Maßnahmen eine Entkopplung von Motor und Weggeber erfolgt.
• Die vorgeschlagene Anordnung zeichnet sich nicht nur durch einen einfachen mechanischen Aufbau und eine kleine mechanische Baulänge aus, sondern arbeitet auch berührungslos und völlig verschleißfrei. Das Auflösungsvermögen ist unendlich groß, und die Linearität liegt in der Größenordnung der bekannten Aufnehmer.
• Patentansprüche:

Claims (3)

1. Patentansprüche (½ Elektromagnetischer Weggeber, bestehend aus einem mit einer Wicklung versehenen Element und einem darin angeordneten verschiebbaren Kern, wobei die Wicklung in eine elektrische Schaltungsanordnung zur Umwandlung des Weges in eine diesem Wege proportionale elektrische Größe und zu deren Anzeige aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus zwei parallel zueinander angeordneten, weichmagnetischen Stäben (1,2) besteht, deren einer (1) die Wicklung (3) trägt, und daß der Kern (4) aus weichmagnetischem Material mit einer zweiten Wicklung (5) versehen ist, die von einem Oszillator (6) gespeist ist, dessen Ausgangsspannung zugleich mit der in der ersten Wicklung (3) induzierten Spannung einem phasenabhängigen Gleichrichter (7) zugeführt ist, dessen Ausgang ein Anzeigeinstrument (8) speist.
2. 2.) Weggeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stäbe (1,2) durch Endstücke zu einer geschlossenen Schleife verbunden sind.
3. 3.) Weggeber nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung als Linearmotor.