DE2651961C2

DE2651961C2 - Anzeigevorrichtung für die Anzahl und evtl. die Richtung von sich bewegenden, unmittelbar aufeinanderfolgenden leitfähigen Kugeln

Info

Publication number: DE2651961C2
Application number: DE19762651961
Authority: DE
Inventors: Wilfried Prof. Dr.-Ing. 3000 Hannover Fritzsche, (verstorben)
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1976-11-15
Filing date: 1976-11-15
Publication date: 1985-05-30
Also published as: DE2651961A1

Description

Hier soll dadurch Abhilfe geschaffen werden, daß zwei Spulensysteme 2 und 4 mit ihren Wirkungsrichtungen sich so gegenüberstehen, daß ohne einen Körper dazwischen keine Spannung übertragen wird, da die Wirkungsrichtungen (magnetische Feldlinien) übereinander senkrecht stehen bzw. durch Symmetrie keine Spannung übertragen wird. Im in F i g. 1 gezeichneten Fall unterstützen E-Kerne 1 bzw. U-Keme 3 aus Magnetmaterial, vorzugsweise Ferrit, den Effekt Durch die Einwirkung des dazwischenliegenden leitfähigen Körpers wird jedoch das Feld verzerrt, so daß eine Übertragung von der Sendespule 2 zur Empfangsspule 4 möglich wird und damit eine Anzeige erfolgen kann.

F i g. 1 zeigt eine solche Anordnung, die auch als »Nullschranke« bezeichnet wird. Der E-Kern 1 dient als Sendeeinrichtung, gespeist über die Spule 2; der U-Kern 3 dient als Empfangssystem.

Die Spannung wird in der Spule 4 abgenommen. Die Feldlinien 5 liegen in bezug auf dem Empfangskern 4 symmetrisch, so daß zwischen Spule 2 und 4 keine Koppelung besteht. Im Fall der Störung durch einen leitfähigen Körper wird abhängig von der Bewegungsrichtung α im allgemeinen der Spannungsverlauf in der Spule 4 (U4) so verlaufen, wie es in Fig. la aufgetragen ist; U^f(x).

Die Kurventeile oberhalb und unterhalb der x-Achse beziehen sich auf um ca, 180° in der Phase verschobener Wechselspannungen, wobei in der Praxis die 180° vielfach nur näherungsweise eingehalten werden. Es sind jedoch deutliche Phasensprünge je nach der Lage des Körpers 9 vorhanden.

Der Nullpunkt der x-Achse liegt in der Symmetrieachse der beiden Magnetkerne 1 und 3.

Wie aus F i g. la zu sehen ist, gibt es zwei Extremwerte und in der Mitte eine Nullstelle. Dies ist zur Zählung unpraktisch. Besonders unangenehm wird es, wenn eine Reihe von Körpern, z. B. Kugeln, dicht aufeinander folgen, weil dann gegenseitige Beeinflussungen diese Spannungskurve in bezug auf die Lage χ der jeweils vorbeilaufenden Kugel so ändern, daß eine Zählung schwierig oder unmöglich wird. Diese Eigenschaften haben alle bekannten Geräte zur Metallanzeige. Zwei U- bzw. V-Kerne 1 und 3, die senkrecht zueinander stehen, sind einfache Ausführungen, vgl. F i g. 2 und 3a. Steht einer dieser Kerne senkrecht und der zweite waagrecht (nicht gezeichnet), so ergibt sich eine Kurve ähnlich wie Fig. la. Stehen sie um45° zur x-Achse(Fi g. 2)geneigt, so ergeben sich Kurven 5 gemäß F i g. 2a. Auch hier sind zwei absolut gemessene Extremwerte vorhanden, allerdings mit gleicher Phasenlage.

Wenn man, wie in F i g. 2 und 3 gezeigt wird, die Spulensymmetrieachse 20 um die Höhe Λ von der x-Achse 21 entfernt, so ergeben sich Kurven entsprechend Nr. 6 und 7 für verschiedene Werte der Höhe h. Kurve 7 entsteht bei größerem Wert h als bei Kurve 6. Zur Anzeige wird man hier nur das Minimum, z. B. 8, verwenden, das nur einmal vorkommt und auch bei Körpern und verschiedenen Leitfähigkeiten oder Abmessungen erfindungsgemäß eine Zählung ermöglicht. Γ/ie Kurve 7 hat also 3 absolute Extremwerte, die durch 2 Nullstellen getrennt sind.

Will man außer der Größe noch die Richtung der Bewegung erkennen, so ordnet man gemäß F i g. 4 zwei

Spulensysteme 10, 12 und 11, 13 ca. im Abstand -y in Richtung der als .v-Achse bezeichneten Führungskanalachse 21 gemessen an, wobei D der Durchmesser des zu messenden Körpers, z. B. der Kugel 9, ist. Durch an sich bekannte Schaltungen, wie man sie z. B. auch für Drehrichtungserkennung von gezahnten Scheiben usw. benutzt, läßt sich durch logische Elemente aus dem Signalwert und dessen Differentialkoeffizienten die Bewegungsrichtung erkennen. Man kann die Körper 9 an den Spulen 1 und 3 frei vorbeifallen lassen.

Üblicherweise müssen die Körper an der Meßeinrichtung in Röhren 22 oder anderen Führungseinrichtungen vorbeigeführt werden. Diese Einrichtungen sind meist aus Metall ausgeführt; die sich dabei ergebenden Wirbelströme fälschen die Signale. Diese Fälschung muß miteingeeicht werden; das setzt voraus, daß sie von allen äußeren Umständen, vor allem von der Tc-nperatur, unabhängig ist. Diese Unabhängigkeit, wird durch unmagnetische Metalle mit einem kleinen Temperaturkoeffizientea der Leitfähigkeit erreicht.

Besonders bewährt haben sich Chrom-Nickel-Stähle mit 80% Nickel und 20% Chrom, wie sie z. B. als Heizleiterlegierung verwendet werden. Damit werden die Führungseinrichtungen zumindestens ausgekleidet, soweit sie nicht vollständig daraus bestehen.

Wenn man z. B. ein Führungsrohr verwendet, so muß an den Stellen, wo der Fluß austritt, dieses mit nichtleitendem und natürlich auch nichtmagnetischen Material ausgekleidet sein, was bei hohen Temperaturen und großen Beanspruchungen auf Schwierigkeiten stößt. Besser ist es, das Metall mit geringem Temperaturkoeffizienten dort auch zur Führung durchgehend zu verwenden. Zum Durchtreten des magnetischen Flusses genügen gemäß Fig.5 kleine Löcher 14', 14" in der Wand des Führungsrohr zum Einstecken der Kernschenkel 25; diese Löcher 14' und 14" zum Durchtritt des Flusses müssen durch einen Schlitz 14 verbunden sein, damit die Wirkung nicht durch Wirbelströme aufgehoben wird. Wenn nötig kann dieser Schlitz noch mit nichtleitendem unmagnetischem Material verkleidet werden. Es treten kaum mechanische Beanspruchungen an dieser Stelle auf (vgl. F i g. 5).

Bei dieser Konstruktion ist es oft nur schwer möglich, einen genauen mechanischen Nullabgleich zu erreichen. Dieser kann durch einen entsprechenden elektrischen Nullabgleich ersetzt werden, wenn der Wert nicht zu groß ist. Es ergibt sich dann noch der Vorteil, daß man auch im Betrieb ohne Körper eine Ausgangsspannung hat, die überwacht werden kann und so eine Betriebssicherheitsanzeige gibt.

Wenn man nun außer der Anwesenheit der Körper auch noch etwas über ihre Eigenschaften, z. B. ihrer Leitfähigkeit, erkennen will, so kann man dies durch den Vergleich der Meßwerte mit zwei verschiedenen Frequenzen erreichen. Diese können über dieselbe Spulenanordnung oder über zwei verschiedene Spulenanordnungen eingespeist werden. Sind diese zueinander versetzt, so muß der 1. Meßwert gespeichert und entsprechend der Weiterbewegung des Körpers mit dem 2. Meßwert verglichen werden.

Der einfachste Aufbau für hohe Temperaturen geeigneter Anordnungen verwendet möglichst wenig Isoliermaterial und möglichst viel Metall von kleinen Temperaturkoeffizienten der Leitfähigkeit. Die einfachsten Anordnungen sind zwei vorzugsweise runde Ferritstäbe 25, die unter einem Winkel zwischen 45° und 90° miteinander ein V bilden, wie in F i g. 6 gezeigt.

Dip Halterung an der Verbindungsstelle (Gehrung) der beiden Ferritstäbe kann aus Metall bestehen, da hier eine magnetisch neutrale Stelle ist (siehe Fig. 6a und 6b). Der Halter 15 muß jedoch innerhalb des V einen Schlitz 16 haben, damit der magnetische Fluß nicht

durch Kurzschlußwirkung behindert wird. Da das Ferrit 25 elektrisch nicht leitet, kann die Wicklung 17 erforderlichenfalls direkt auf die Schenkel aufgebracht werden. Für höhere Temperaturen ist eine Befestigung durch Zement oder Glasur, wie sie von entsprechenden drahtgewickelter Widerständen bekannt ist, zweckmäßig. Auch Röhrchen aus Aluminiumoxyd, verbunden durch Stampfmasse aus demselben Material, geben eine feste und gute Auskleidung für hochtemperaturfeste Spulen.

Besonders zweckmäßig ist eine Konstruktion, bei der die Wicklung 17 gemäß F i g. 6d zwischen zwei Aluminiumoxydröhrchen 23 und 24 in AbCh-Stampfmasse 26 eingebettet ist, die gesintert wird. Die Befestigung auf dem Ferritstab kann durch hitzebeständigen Kitt oder Zement 27 erfolgen. Die Drahtverbindung zwischen beiden Wicklungen kann dann in einem Aiuminiumoxydröhrchen im Schlitz 16 erfolgen.

Die elektrische Auswertung der Anzeige erfolgt phasenabhängig. In F i g. 7 ist die komplexe Spannungsebene aufgetragen. Nimmt man z. B. die reelle positive Achse als Bezugsspannung (Sendespannung) an, so wird man zweckmäßigerweise einen Bereich in einem Sektor 18', der vorzugsweise die reelle negative Achse umschließt, detektieren wollen. Da auch ohne Kugel üblicherweise eine kleine Koppelung vorhanden ist, muß man den Bereich kleiner Spannung durch einen Schwellwert unwirksam machen, daher der kleine ausgesparte Kreisabschnitt 18. Die Spannung nach außen ist stark von der Materialart und der Näherung der Körper gegeneinander abhängig und sollte deshalb nicht definiert werden. Detektiert wird auf Mindestspannung und Phase gleichzeitig. Dazu können z. B. digitale Meßeinrichtungen, wie die im Handel befindlichen Phasen-Amplituden-Meßgeräte mit digitalem Schwellwertzusatz verwendet werden. Auch mit analoger Meßtechnik sind Auswertungen möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Anzeigevorrichtung für die Anzahl und evtL die Richtung von sich bewegenden, unmittelbar aufeinanderfolgenden leitfähigen Kugeln oder ähnlichen Körpern, mit ein oder zwei Paaren annähernd aufeinander senkrecht stehenden V- oder U-förmigen Eisenkernen mit Spulen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der Eisenkerne je einen Winkel von ca. 45° zur Bewegungsachse (21) der Körper (9) bilden und die Verbindungslinie (20) der Scheitel jedes Paares von Kernen (1, 3) einen solchen Abstand (h)xon der Bewegungsachse (21) der Körper hat, daß eine unsymmetrische Spannungskurve (7) entsteht.

2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Führungskanal (22), der die Kugeln in der gewünschten Bewegungsachse (21) führt.

3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wand des Führungskanals (22) in den Ebenen (V, 3') der Eisenkerne (1 bzw. 3) liegende, durch einen Schlitz (14) verbundene Löcher (14', 14") vorgesehen sind (F i g. 5).

4. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit Spulen versehene Eisenkernpaare (10,12 und 11,13) im Abstand D/2 in Richtung der Achse (21) des Führungskanals (22) angeordnet sind, wobei Oder Durchmesser der zu messenden Körper (9) ist (F i g. 4).

5. Anzeigevorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenkerne aus jeweils zwei vorzugsweise runden Ferritstäben (25) bestehen, die innerhalb eines Halters (15) aus Metall unter einem Winkel von 45° bis 90° miteinander verbunden sind, und daß innerhalb des zwischen den Stäben (25) gebildeten Zwickels ein Verbindungsschlitz (16) ausgebildet ist (F i g. 6).

6. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (17) direkt auf den Ferritstäben (25) aufgebracht und durch hitzebeständigen Kitt, Zement oder Glasur befestigt ist (F ig. 6).

7. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (17), zwischen zwei Aluminiumoxydröhrchen (23, 24) in eine Stampfmasse, z. B. AL₂O₃, eingebettet, die verfestigt, gegebenenfalls gesintert wird, auf den Ferritstäben (25) befestigt ist, wobei ein Verbindungsdraht (17') zwischen den beiden Wicklungen (17) innerhalb eines Aluminiumoxydröhrchens im Verbindungsschlitz (16) verläuft (F i g. 6,6d).

8. Anzeigevorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskanal (22) und auch der Eisenkernkanal (19) von einem Rohr, vorwiegend kreisförmigen Querschnitts, gebildet sind

9. Anzeigevorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Führungskanals (22) wenigstens teilweise aus einem Werkstoff mit kleinem Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit, z. B. aus einem Stahl mit etwa 80% Ni und etwa 20% Cr, besteht.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Gerät ist aus der DE-PS 9 65 792 bereits bekanntgeworden. Die Anzahl und evtl. die Richtung von sich bewegenden leitfähigen Kugeln ist mit diesem Gerät jedoch nicht eindeutig erkennbar, weil die sich aus der Anordnung der Spulen ergebende Kennlinie eine eindeutige Zuordnung nicht ermöglicht.

In der DE-AS 12 97 781 ist ferner eine elektrische Fühl vorrichtung beschrieben, an der die Annäherung von Körpern an ein Spulenpaar angezeigt wird. Des weiteren zeigt das Heft 7 von »Feinwerktechnik« 1953 auf Seite 224 eine Anzeigevorrichtung für elektrisch leitfähige Körper, die ebenfalls eine Wirkung hat, wie im folgenden zu Fi g. 1 und la beschrieben; dabei ist erläutert, daß es bei einer solchen Anordnung zwei Extremwerte der Ausgangsspannung gibt; dadurch ist es nicht möglich, die Körper genau und sicher zu zählen, vor allem, wenn sie eng aufeinander folgen. Diese Eigenschaft haben alle bekannten Geräte zur Metallanzeige.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anzeigevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß die Anzahl und evtl. die Richtung von sich vorzugsweise in enger Kolonne bewegenden elektrisch leitfähigen Kugeln eindeutig bestimmbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteranspi üchen 2 bis 9 beschrieben.

Mehrere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert; dabei zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung, von der die Erfindung ausgeht, und
F i g. 1 a den eintretenden Spannungsverlauf,

F i g. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung im Schema mit verschiedenen Achsenabständen h und

F i g. 2a den des Abstandes h entsprechenden Spannungsverlauf für verschiedene Ausführungen,
F i g. 3 die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung in Längsansicht und
F i g. 3a in Queransicht,

F i g. 4 eine Anzeigevorrichtung in Queransicht mit 2 Spulenpaaren für Richtungsbestimmung,
F i g. 5 eine bauliche Besonderheit in Queransicht der Anzeigevorrichtung,

F i g. 6 die erfindungsgemäßen Eisenkerne in Längsansicht,

F i g. 6a in Seitenansicht und
Fig.6bin Draufsicht,

Fig.6c einen erfindungsgemäßen Eisenkern im Querschnitt und

F i g. 6d einen geänderten Eisenkern im vergrößerten Querschnitt und schließlich

Fig.7 das erfindungsgemäß eintretende komplexe Spannungsfeld.

Bei der Erfindung werden vorzugsweise hohe Frequenzen zwischen 50 kHz und 10 MHz verwendet, bei denen aber in den üblichen Entfernungen noch stationäre Verhältnisse herrschen. Wenn man z. B. aus zwei gegenüberliegenden Spulen ein Koppelsystem aufbaut, so könnte man annehmen, daß ein vorbeilaufender Körper die Kopplung unterbricht oder wesentlich schwächt. Leider stellt sich aber heraus, daß dies nur beschränkt der Fall ist. Es gibt Stellungen des vorbeilaufenden Körpers, bei denen dieser sogar eine Verstärkung der Übertragung bewirkt, so daß eine eindeutige Zählung nicht möglich ist.