DE2512578C3 - Induktive Meßeinrichtung für eine beliebige mechanische Größe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine induktive *o Meßeinrichtung für eine beliebige mechanische G*~ößc gemäß dem Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruches 1. Sie kann in der Meßtechnik Anwendung finden zur Messung von Kräften, Drehmomenten, Schwingungen, Beschleunigungen, Verschiebungen usw. Das gewonnene elektrische Signal kann zur Fernkontrolle und -steuerung dienen.

ßei einer derartigen bekannten induktiven Meßeinrichtung (Rohrbach, »Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen« [19671 S. 191/192) ist w bereits eine Verschiebung des Schirmes vorgesehen. Der Schirm selbst besitzt nach einem bestimmten, die Umformungskennlinie beeinflussenden Gesetz profilierte Schnittkanten. Die Schnittkante wird dabei in der Vera'hicbungsebene parallel verschoben, so daß die M Empfindlichkeit für bestimmte Meßbereiche vergrößert werden kann; eine beliebige Voreinstellung des Kcnnlinicnvcrlaufes ist jedoch nicht möglich.

Der Erfindung liegt ausgehend von der vorgenannten Meßeinrichtung die Aufgabe zugrunde, eine beliebige <■" Änderung des Kennlinicnvcrlaufcs mit profilierten wirksamen Schnittkanten zu erreichen. Speziell soll weiterhin /wischen den induktiv gekoppelten Erregcruml Mußspulen ein beträchtlicher Arbeitsluftspalt vorliegen, so groß, daß unkontrollierbare Qiierversehie- ■ ■ hiingcn des Schirmes keine Änderungen des Ausgangsiiils bewirken.

Meßeinrichtung soll ferner eine Keiinliiiieiikor

rektur infolge einer Änderung eines äußeren Parameters ermöglichen.

Diese Aufgabe wird auf der Grundlage der gattungsmäßigen Meßeinrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst

Diese Winkeländerung der Schnittkanten erweitert die Möglichkeit der Änderung des Kennlinienverlaufes vorteilhaft sehr stark.

Zur Kennlinienkorrektur bei der Umformung einer Verschiebung in ein elektrisches Signal ist es zweckmäßig, neben dem diamagnetischen Schirm auch die Topfkerne gegeneinander lageveränderlich und justierbar, also mit der Möglichkeit einer gegenseitigen Verschiebung, auszuführen. Mit der Topfkernverschiebung läßt sich z. B. eine Nulleinstellung oder eine erste Änderung der Kennlinie durchführen.

Die Vorteile bisher vorgenannter Maßnahmen bestehen darin, daß die induktiv gekoppelten Spulen in einem belobigen Abstand voneinander angeordnet werden können, wodurch der Meßbereich geändert wird, wogegen der durch die Topfkerne an sich aufgebaute Linienverlauf des Magnetfeldes es gestattet, die Kennliniensteilheit des Umformers zu ändern und daß eine Kennlinie beliebiger vorgegebener Form durch Änderung des Neigungswinkels der wirksamen Kanten des Schirmes erzielt werden kann.

Zweckmäßig kann die Winkelverstellung mit verschwenkbaren Schirmhälften nach Anspruch 3 erfolgen.

Durch Anordnung des Schirmes und der Spulen an den gegeneinander verschiebbaren Konstruktionsstellen und durch Profilierung der Schirmkanten wird die Justierung der Meßeinrichtung vereinfacht und die Erhaltung des vorgegebenen Kennlinienverlaufes oder deren Korrektur auch bei einer ansonsten aufgrund eines äußeren Parameters zeitlichen Änderung sich ändernden Kennlinie ermöglicht, indem in Abhängigkeil von einem zu korrigierenden Parameter eine selbsttätig stellende Stellvorrichtung vorgesehen ist. Vorzugsweise dient zur Ausschaltung eines Temperatureinflusses eine Thermobimetallspiralc als Antriebsorgan der Stellvorrichtung.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ermöglicht es, den Pegel des Ausgangssignals um das 5-bis 10fache bei einer Absenkung der Energieintensität um denselben Faktor gegenüber den bekannten induktiven, ferrodynamischen und ihnen ähnlichen Meßeinrichtungen zu erhöhen.

Die Genauigkeit der Meßeinrichtung ist wegen der erweiterten Einstellmöglichkeitcn höher und ihre Abstimm/.eil kürzer als es die entsprechenden Eigenschaften der bekannten Meßeinrichtungen sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer eingehenden Beschreibung "on Ausführungsbcispiclcn unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. I die Gesamtansicht der Konstruktion einer induktiven Meßeinrichtung für mechanische Werte;

Fig. 2 die Einrichtung nach Fig. I im Längsschnitt;

Fig. 3 eine induktive Meßeinrichtung mil an schwcnkbcweglichcn Armen angeordneten Topfkernen;

F i g. 4 eine Variante mil verschiebbaren Topfkernen;

Γ i g. 5 eine induktive Meßeinrichtung mil einer Stellvorrichtung für den Schirm;

l·' i g. b einen Schirm mit verstellbaren St liirmliiilfiei);

Fig. 7 eine induktive Meßeinrichtung mit einer nach einer Tciiipcraliiriimlcriing korrigierenden Sicllvorriih tu»!·;

F i g. 8 eine Variante mit Korrektur nach dem Druck und

Fig,9 eine elektrische Schaltung für die induktive Meßeinrichtung für mechanische Werte.

Die induktive Meßeinrichtung für mechanische Werte, beispielsweise für Kräfte, enthält einen Meßwertgeber 1, z. B. einen elastischen Kraftmesser, der als Umformer eines kontrollierbaren Parameters in eine Verschiebung (F i g. 1) auftritt, an dessen gegeneinander verschiebbaren Elementen 2 und 3 von der einen Seite ein profilierter diamagnetischer Schirm 4, von der anderen ein Arm 5 mit einem daran angeordneten Transformator 6 befeEtigt ist, der sich aus zwei parallelen Teilen 7 und 8 zusammensetzt, die mit einem Luftspalt δ angeordnet und in Form von Topfkernen 9, 10, 11 und 12 ausgeführt sind, die Spulen 13, 14,15 und 16 aufweisen. Der Transformator 6 mit den Erregerspulen 13 und 14 und den Meßspulen 15 und 16 und der Schirm 4 steilen somit einen Umformer von Verschiebungen, in ein elektrisches Signal dar.

F i g. 2 zeigt die oben angeführte induktiv; Meßeinrichtung für mechanische Werte im Längsschnitt, wobei die Ausführung des Schirmes 4 mit wirksamen, entsprechend dem gewünschten Gesetz profilierten Schnittkanten 17 und 18 dargestellt ist und der Schirm 4 das elektromagnetische Feld der Topfkerne 9, 10, 11 und 12 nur zum Teil überdeckt.

In F i g. 3 sind die Topfkerne 9,10,11 und 12 an einem beweglichen Arm 19 mit der Möglichkeit einer Verschiebung auf Führungen 20 angeordnet (Durch die Pfeile sind die Bewegungsrichtungen der Kerne 9,10,11 und 12 und des Armes 19 angedeutet)

Dank einer Gelenkkupplung von Armen 21 und 22 können die Topfkerne 9, 10, 11 und 12 zwecks Justierung verschwenkt werden. Die abgeschrägten wirksamen Kanten 17 und 18 des diamagnetischen Schirms 4 sorgen für die Nulleinstellung bei der Justierung des Systems.

F i g. 4 zeigt eine Ausführungsvariante der Topfkerne 9, 10, 11 und 12, und zwar in gegeneinander verschiebbarer Anordnung. Die als Stützen der genannten Kerne 9 bis 12 dienenden Arme 21 und 22 werden mittels Schrauben mit einem links- bzw. rechtsgängigen Gewinde längs des Armes 19 verschoben, wodurch der Messer für mechanische Werte justiert wird. Durch die Pfeile sind die Verschicbungen der Arme 21 und 22 angedeutet.

Die Möglichkeit einer derart einfachen und bequemen Justierung stellt ei:?¹; Besonderheit der induktiven Meßeinrichtung dar und ist dank einer niedrigen Empfindlichkeit der Konstruktion gegenüber unkontrollierbaren Verschiebungen des Schirmes 4 und der Spulen 13 bis 16 realisierbar, weil die I eitler der Topfkerne 9 und 'Jl bzw. 10 und 12 bzw. der einander gegenüberliegenden Spulen 13 und 15 b/.w. 14 und 16 an sich örtlich eng geschlossen sind.

Die Methoden zur Verschiebung der Arme 19,21 und 22 können verschieden in Abhängigkeil vom Typ des elastischen Elementes des Kraftmessers I und der Teile bei der Realisierung der Konstruktion sein.

Die wirksamen Kanten 17 und 18 des Schirmes 4 können nach einem beliebigen vorgegebenen Gesetz profiliert sein.

In I'ig. 5 ist der Schirm 4 an einem Arm 25 verschiebbar ungeordnet, was die Justierung und die erhaltung der vorgesehenen Kennlinien erleichtert (!email l-'ig. 5 ist der Schirm 4 auf der Achse 2fi des Armes 25 aiigcordiii-i. Hei einer Schwenkung des Schirmes 4 mit Hilfe einer Stellvorrichtung 27 ändert sich der Winkel zwischen dessen wirksamer Kante 37, 18 und der Richtung der zu messenden Verschiebung, worauf dementsprechend die Kennlinie gedehnt oder zusammengedrückt wird. Durch die Pfeile ist die Verschiebung des Schirmes 4 bezüglich der Achse 26 angedeutet

Fig.6 zeigt eine andere Ausführungsvariante des beweglichen Schirmes 4, nach der er sich aus zwei

ig gleichen, miteinander derart gelenkig gekuppelten Schirmhälften 4' und 4" zusammensetzt so daß bei einer Verstellung seitens der Stellvorrichtung 27 die wirksamen Kanten 17 und 18 der Schirmhälften 4', 4" zunächst mit der Mitte des entsprechenden Paares der Topfkerne 9,11 bzw. 10,12 zusammenfallen. Mit dieser Ausführung wird eine Änderung der Steilheit der Kennlinie gewährleistet; es kann aber dabei eine Nullageverschiebung eintreten.

Damit erie Verschiebung des Schirmes 4 bzw. 4', 4"

M keine Nullageverschiebung bewirkt, ist es notwendig, den Arm 19 auf den Führungen 2C- zusätzlich zu verschieben, bis die wirksamen Kanten 17 und 18 mit der Mitte des entsprechenden Paares der Topfkerne 9, 11, 10 und 12 zusammengefallen sind. Ein ähnlicher Effekt kann auch bei Verwendung einer kombinierten Konstruktion mit einem schwenkbaren Schirm 4 (Fig.5, 6) und schwenkbaren Kernen 9, 10, 11 und 12 (F i g. 3,4) erzielt werden.

In Fig.7 ist der diamagnetische Schirm 4 auf der

Achse 26 des Armes 25 befestigt und mit einer Stell-Antriebsvorrichtung eines (nicht gezeigten) Korrektors gekoppelt Diese Konstruktion der Stellvorrichtung wird durch die Wahl des Korrekturparameters bestimmt.

J5 Zur Verwirklichung beispielsveise einer Temperaturkorrektur wird eine Thermobimetallspirale 28 (als Antriebsvorrichtung) ausgenutzt, deren eines Ende mit dem Schirm 4 und deren anderes mit dem Arm 25 gekoppelt ist Bei der entsprechenden Wahl der Parameter der Thermobimetallspirale 28 ermöglicht diese Einrichtung eine automatische Kompensation der Temperatureinwirkung auf die Kennlinie der induktiven Meßeinrichtung.

Fig.8 zeigt eine andere Ausführungsvariante der

r> Antriebsvorrichtung des Korrektors, wobei eine Korrektur nach dem Druck vorgenommen wird. In diesem Fall wird in die Verbindung zum Meßwertgeber 1, zwischen den Arm 25 und den Schirm 4 eine Kammer 29 geschaltet, die durch eine Federmembran 30 in zwei

V) Räume geteilt ist. Die Membran 30 ist mittels Zugstangen 31 mit dem Schirm 4 verbunden, wobei die Kammer 29 mit einem Druckerzeuger P über einen Hini.ittsstutzcn32in Verbindung steht. Die elektrische Schaltung der induktiven Meßeinrich-

v> lung für mechanische Werte ist in F i g. 9 dargestellt.

Die Schaltung enthält einen Widerstand 33 und eine Zener-Diode 34 in einer ersten Stabilisierungsstufc. einen Widerstand 35 und eine Zener-Diode 36 in einer /weiten Stabilisicrungsstufc sowie einen als Filter für

■ ·· die Wechselspannung eines selbslcrregten Generators wirkenden Kondensator 37 (grundsätzlich kann eine beliebige bekannte Slabilisicrungsschallung /um Einsät/ gelungen, falls eine solche für die Arbeil des Umformers erfordf 'lieh isl). Der selbslerregle Generator ist mit einem Transistor 18 bestückt und enthüll Widerstünde W und 40 als Vorspunmingskrcis, einen Widerstand 41 /ur Stabilisierung der Stromverhiillnisse heim liansisliir 18 und einen den Widerstand 41

wechselstromseitig überbrückenden Kondensator 42.

In den Kollektorkreis des Transistors 38 sind die Erregerspulen 13 und 14 eingeschaltet, die in Verbindung mit Kondensatoren 43 und 44 für die Selbsterregungsbedingungen beim selbsterregten Generator sorgen.

An die Meßspulen 15 und 16 angeschlossene Kondensatoren 45 und 46 bilden Sekundärstromkreise. An diese angeschaltete Dioden 47 und 48 dienen zur Wechselstromgleichrichtung.

Nach der Gleichrichtung und Filterung durch weitere Kondensatoren 49 und 50 treten an den Widerständen 51 und 52 Spannungen auf, die (in der Nullage des Schirmes 4) betragsmäßig gleich und nach dem Vorzeichen entgegengesetzt sind. Die Potentialdifferenz zwischen den Punkten 53 und 54 ist also in diesem Zustand des Umformers gleich Null.

Die Pii?er^pni'?.lschalliing gestattet es. Hie Genauigkeit der induktiven Meßeinrichtung zu erhöhen, steigert ihre Empfindlichkeit um das Zweifache und sichert im Anfangszustand ein Spannungsnullsignal am Ausgang der induktiven Meßeinrichtung. In Fällen, in denen nach bestimmten Bedingungen für die Realisierung eines Meßvorganges im Ausgangszustand ein Ausgangssignal eines bestimmten Pegels (ungleich Null) erforderlich ist, kann eine einfache Umformerschaltung mit den Spulen 9,11 (Fig. 1) angewendet werden.

Die induktive Meßeinrichtung hat folgende Wirkungsweise: Bei Zuführung einer Gleichspannung zu den Eingangsleitungen wird die Selbsterregerschaltung angefacht, wodurch an den Erregerspulen 13 und 14 (Fig. I) eine Sinusspannung erzeugt wird.

Diese Spannung erzeugt an den Meßspulen 15 und 16

Spannungen, deren Amplitude von der zu kontrollierenden Verschiebung des Schirmes 4 abhängig ist.

Im vorliegenden Beispiel einer Messung von Kräften wird der Kraftmesser 1 (F i g. 1) unter der Wirkung einer an diesen angelegten Belastung verformt, und die dadurch verursachte gegenseitige Verschiebung des Schirmes 4 und des Magnetsystems der Topfkerne 9,10, 11 und 12 führt zu einer Änderung des Verhältnisses der abzuschirmenden Spulenflächen. Dies hat eine Änderung der Übersetzungen zwischen den Spulen 13 und 15 bzw. 14 und 16 zur Folge, worauf sich die Spannungen an den Meßspulen 15 und 16 als ungleich (im Unterschied vom Ausgangszustand »Null«, wo bei der Gleichheit der Obersetzungen zwischen den Spulen 13 und 15 sowie 14 und 16 diese Spannungen amplitudengleich sind) erweisen. Die Spannungen von den Meßspulen 15 und 16 werden durch Amplitudendetektoren 47 und 48 gleichgerichtet, durch Filter 49 und 50 geglättet, worauf zwischen den Ausgangsklemmen 53, 54 eine der Spannungsdifferenz an den Meßspulen 15 und 16 mit Rücksicht auf das Vorzeichen dieser

Differenz proportionale Potentialdifferenz erzeugt

wird.

Als Folge der gegenseitigen Verschiebung des

Schirmes 4 und des Magnetsystems der Kerne 9,10, 11 und 12 wird also am Ausgang (F i g. 9) der Schaltung der induktiven Meßeinrichtung ein dieser Verschiebung und dementsprechend der an den Kraftmesser 1 (Fi g. 1) im betrachteten Beispiel angelegten Kraft proportionales und ein die Richtung dieser Verschiebung berücksichtigende Vorzeichen aufweisendes elektrisches Signal erzeugt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Induktive Meßeinrichtung für eine beliebige mechanische Größe, die als Verschiebung eines diamagnetischen Schirmes im Luftspalt eines Transformators aus zwei parallel zum Luftspalt liegenden Teilen mit zwei Topfkernen mit Erregerspulen im einen Teil und zwei Topfkernen mit Meßspulen im anderen Teil in ein elektrisches Signal umgesetzt wird, wobei sich der Schirm mit seinen beiden wirksamen, nach einem vorgegebenen, die Umformungskennlinie beeinflussenden Gesetz profilierten Schnittkanten zwischen den Polflächen der sich jeweils gegenüberliegenden Topfkerne befindet, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung des Kennlinienverlaufs eine Stellvorrichtung

(27) vorgesehen ist, mit der die wirksamen Schnittkanten (17, 18) des Schirmes (4; 4', 4") auf einen bestimmten Winkel zur Richtung der zu messenden Verschiebung einstellbar sind.

2. Induktive Meßeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch gegeneinander lageveränderlich und justierbar angeordnete Topfkerne (9,10; 11, 12; F ig. 3,4).

3. Induktive Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch gegenüber einer durch die mechanische Größe verschiebbaren Halterung verschwenkbare Schirmhälften (4', 4").

4. Induktive Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine in Abhängigkeit von einem zu korrigierenden Parameter selbsttätig stellende Stellvu/richlung.

5. Induktive Meßeim ichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Ti- --rmobimetallspirale

(28) als Antriebsorgan der Stellvorrichtung (F i g. 7).