DE2415233A1 - Elektromagnetischer weggeber - Google Patents

Description

• Elektromagnetischer We ggeber Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrömagnetischen Weggeber, bestehend aus einem mit einer Wicklung versehenen -Element und einem darin angeordneten, verschiebbaren Kern, wobei die Wicklung in eine elektrische Schaltungsanordnung zur Umrrandlung des Weges in eine diesem Wege proportionale elektrische Größe und zu deren Anzeige aufgenommen ist.
• Unter elektrischen Gebern versteht man Induktionsgeber, bei denen die Leiter bzw. Spulen feststehen und die Flußänderung durch einen bewegten Magneten oder ein bewegtes weichmagnetisches Teil bewirkt wird. Induktionsgeber sind aktive Geber; sie können bei Messungen eingesetzt werden, bei denen die Wegänderung mit einer bestimmten Minimalgeschwindigkeit erfolgt. Sie werden fast ausschließlich zur Messung von Linear-bzw. ViniceTgeschrindigkeiten eingesetzt. Zur Messung von Wegen durch Integration ihrer Nutzspannung sind sie jedoch nur bedingt geeignet; sie werden als elektromagnetische Abstandsgeber bei Abständen im mm-Bereich nur für qualitative Messungen benutzt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen-Weggeber der eingangs genannten Art zu schaffen, der auch für größere Verschiebungen geeignet ist und über ein gutes Auflösungsvermögen verfügt. Außerdem ist es erurünscht, diesen Weggeber sowohl als analogen als auch als inkrementalen Geber verwenden zu können.
• Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß das Element aus zwei parallel zueinander angeordneten, weichmagnetischen Stäben besteht, daß die'Wicklung gleichmäßig über die ganze Länge eines oder beider Stäbe aufgebracht ist, und daß der Kern als Magnet ausgebildet und zwischen den Stäben längsbeweglich angeordnet ist. Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher beschrieben. Darin zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Weggebers, Fig. 2 ein elektrisches Prinzipschaltbild unter Verwendung eines Weggebers nach Fig. 1, und Fig. 3 ein erweitertes Schaltbild einer Wegmeßanordnung unter Verwendung des Weggebers.
• Zwei Stäbe 1,2 mit rechteckigem Querschnitt aus weichmagnetischem Material sind in einem bestimmten Abstand parallel zueinander angeordnet. Auf einem oder beiden ist eine Ankerwicklung 3 gleichmäßig über die ganze Länge aufgebracht. Ein Magnet 4 ist in dem Fenster zwischen den beiden Stäben 1,2 angeordnet und kann über die gesamte Länge verschoben werden. Der ausnutzbare Hub des Weggebers ist gleich der Spulenlänge vermindert um die zweifache Magnetlänge. Der Magnet ist so magnetisiert, daß das Magnetfeid und die Ankerdrähte in dem Fenster senkrecht aufeinander stehen. Der magnetische Läuferfluß teilt sich in die beiden Teilflüsse m1 und bm2, die sich über die beiden Lufträume zwischen den Läuferstäben 1,2 rechts und links des Magneten 4 schließen. Die Größander beiden Teilflüsse im1 und m2 werden im wesentlichen durch die magnetischen Leitwerte der beiden Lufträume festgelegt, die sich ebenso wie die Wicklungsabschnitte linear mit der Läuferstellung ändern: m1,2 = E1,2 (x) + Kl1,2 (x) . (1) Bei den folgenden Betrachtungen wird der magnetische Widerstand der Eisenstäbe unabhängig von der Läuferstellung als konstant angenommen. In Wirklichkeit ändern sich die lEderstandsabschnitte rechts und links von dem Magneten mit der Magnetstellung, und zwar umgekehrt proportional wie die beiden Widerstände der Lufträume. Der gesamte Widerstand des Eisenkreises bleibt allerdings konstant. Infolge der magnetischen Spannungsabfälle an den beiden Teilkreisen, die von der Permeabilität des Eisens abhängen, ist der Flußverlauf von aml und çm2 in Abhängigkeit von der Magnet stellung nicht exakt linear. Dieser Linearitätsfehler, der bei Verwendung ferromagnetischen Materials mit guter magnetischer Leitfähigkeit sehr klein gemacht werden kann, soll bei der folgenden qualitativen Betrachtungsweise vernachlässigt werden.
• Bei der Bewegung des Magneten ändern sich die beiden Teilflüsse und demzufolge auch der mit der gesamten Spule verkettete Fluß. Aus Fig. 1 läßt sich die Flußänderung während einer kleinen Verschiebung um das Wegelement hx ableiten.
• Vor der Verschiebung ergibt sich der mit der Spule verkettete Läuferfluß in einer beliebigen Stellung x0 zu wobei der Spulenfluß in x-Richtung positiv gezählt wird. Nach der Verschiebung ergibt sich der Spulenfluß zu Die einzelnen Teilflüsse ergeben sich aus Fig. 1 zu: m1 = - #o - #l x bm2 = bo + Q (1 - ( a Hierbei ist bl 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.
• Die Flußändrung während der Verschiebung folgt aus der Differenz der Gleichungen (2) und (3) zu: sp = W (#m1 + m2) #x = - W . #m (6) 1 1 Das Ergebnis ist stellungsunabhängig. Die Flußänderung ist nur abhängig von dem Magnetfluß m, der Windungszahl w der Ankerspule, der Spulenlänge und der Verschiebung #x.
• Allgemein läßt sich der mit der Spule 3 verkettete Läuferfluß durch die Geradengleichung #sp = w . #m (1 - x) (7) 2 1 beschreiben.
• Die Anordnung arbeitet prinzipiell auch dann, wenn der Eisenkreis ganz geschlossen ist. In diesem Fall ergibt sich aber eine kleinere Flußänderung während der Verschiebung des Magneten. Bei geschlossenem Eisenkreis verläuft der wesentliche Flußanteil der beiden Teilflüsse #m1 und m2 über den Eisenkreis. Die magnetischen Widerstände der beiden Eisenabschnitte rechts und links von dem Läufer können bei dieser Anordnung nicht als konstant angenommen werden; sie ändern sich während der Verschiebung umgekehrt proportional wie die magnetischen Widerstände der Lufträume. Dadurch arbeiten die Flußänderungen in dem Eisenkreis so gegeneinander, daß der resultierende Fluß vermindert wird.
• Während der Bewegung des Magneten 4 in eine Richtung wird in der Ankerspule 3 eine Gleichspannung induziert. Sie ergibt sich nach dem Induktionsgesetz zu Ue = - w i bm . Hm dx (8) Ue = - dt - - 1 dt Zur Verschiebungsmessung muß der Meßvorgang unabhängig von der Geschwindigkeit sein, mit der man den Magneten 4 entlang eines Spulenabschnitts bewegt. Dazu wird Gleichung (8) etwas umgeformt: Auf der rechten Seite steht ein dem Weg proportionaler Ausdruck und auf der linken Seite das Zeitintegral der induzierten Spannung. Bei einer größeren Geschwindigkeit ist die induzierte Spannung größer, im gleichen Verhältnis ist aber die Integrationszeit kleiner, so daß das Integral unverändert bleibt.
• Zur Messung des spannungsstoßesJuedt werden die Anschlüsse der Ankerspule mit einem Integrator (Fig. 2) verbunden, der als Ausgangsspannung Ua die Zeitsumme der während der Bewegung induzierten Spannung liefert: Die Ausgangsspannung des Integrators ist proportional zur Verschiebung x und, abhängig von der Verschiebungsrichtung, positiv oder negativ. Das Auflösungsvermögen der Anordnung ist unendlich; die Empfindlichkeit wird einmal durch die während der Verschiebung induzierte Spannung, d h. die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit, und zum anderen durch die Eingangsempfindlichkeit des Integrators bestimmt.
• Bei einmaligen Versdhiebungsmessungen und Messungen, die bei jedem Meßvorgang von einer definierten Ruhelage ausgehen, liefert der Integrator eine dem zurückgelegten Weg analoge elektrische Spannung Bei der inkrementalen Wegmessung ergibt sich die jeweilige Magnetposition aus der Zusammensetzung der zurückgelegten Teilwege. Jede Position wird durch den Wegzuwachs aus der vorhergehenden Position ermittelt. Dazu wird die Ausgangsspannung des Integrators ermittelt, die dem kleinsten meßbaren Wegelement entspricht. Sobald diese Spannung, die bei der inkrementalen Betriebsart das Auflösungsvermögen bestimmt und im folgenden Schrittspannung genannt wird, erreicht ist, gibt eine dem Integrator nachgeschaltete Elektronik einen Impuls ab, der in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung den Stand eines Zählers um einen Schritt erhöht oder erniedrigt. Der Zählerstand entspricht der jeweils eingenommenen Position. Eine mögliche Meßanordnung ist in Fig. 3 angegeben. An die Spule 3 sind zwei Integratoren 8,9 angeschlossen, die wechselseitig arbeiten. Die Ausgangsspannungen der beiden Integratoren werden jeweils in zwei Komparatoren 10,11 gegeben, die die Integratorspannung mit der von der Bewegungsrichtung abhängigen positiven bzw. negativen Schrittspannung vergleichen. Ist eine der beiden Bedingungen erfüllt, wird ein Vor- bzw. Rückwärtssignal an einen Zähler 12 gegeben.
• Gleichzeitig wird der jeweils in Ruhe befindliche Integrator eingeschaltet und der zuletzt arbeitende Integrator auf Null gesetzt. Die Zählerstellung kann über einen Digital-Analog-Wandler 13 in eine der Position entsprechende elektrische Spannung umgeformt werden.
• Speist man die Ankerspule 3 in Fig. 1 mit Gleichstrom, soo arbeitet die Anordnung als linearer Gleichstrommotor. Bringt man bei diesem Motor auf dem zweiten Schenkel 2 eine zusätzliche Wicklung. auf, können Motor und Weggeber in einer Einheit integriert werden, falls durch geeignete Maßnahmen eine vollständige Entkopplung von Motor- und Meßwicklung erfolgt.
• Die Hauptvorteile des vorgeschlagenen Gebers sind der einfache mechanische Aufbau und die direkte digitale Weganzeige mit relativ geringem elektrischem Aufwand. Sein Einbauvolumen ist klein, und die mechanische Baulänge unterscheidet sich nur wenig von dem nutzbaren Hub. Zur Richtungserkennung sind keine zusätzlichen Elemente erforderlich. Das System arbeitet berührungslos und damit verschleißfrei; außerdem sind keine beweglichen stromzuführenden Leitungen notwendig, die bewegten Massen sind klein. Diese Vorzüge machen ihn besonders geeignet für schreibende Meß- und Regelgeräte.
• Patentansprüche:

Claims (6)

1. Patentansprüche: Elektromagnetischer Weggeber, besteh-end 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 FSekennzeichnet,daß das Element aus zwei parallel zueinander angeordneten, weichmagnetischen Stäben (1,2) besteht, daß die Wicklung (3) gleichmäßig über die ganze Länge eines oder beider Stäbe aufgebracht ist, und daß der Kern (4) als Magnet ausgebildet und zwischen den Stäben (1,2) längsbeweglich angeordnet ist.
2. 2.) Weggeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltungsanordnung aus einem Integrator, einem diesem Integrator nachgeschalteten Impulsgeber und einem Impulszähler besteht.
3. 3.) Weggeber nach Anspruch 1,-dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltungsanordnung aus zwei abwechselnd arbeitenden Integratoren (8,9) besteht, denen jeweils ein Komparator (10,11) nachgeschaltet ist, deren Ausgangsspannungen je nach Bewegungsrichtung dem Zähler (12) einen positiven bzw. negativen Impuls zuführen.
4. 4.) Weggeber nach Anspruch 1, wobei die Spule mit Gleichstrom gespeist ist, gekennzeichnet durch die Verwendung als linea -vsrw Ceichstrcmmotor.
5. 5.) Weggeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem zweiten Stab (2) eine weitere Wicklung aufgebracht ist.
6. 6.) Weggeber nach Anspruch 5, bei dem Mittel zur Entkopplung der beiden Wicklungen vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die gleichzeitige Anwendung als linearer Motor und Weggeber.