DE2719933C2

DE2719933C2 - Stellungsmesser

Info

Publication number: DE2719933C2
Application number: DE2719933A
Authority: DE
Inventors: Milton Kearney Lancaster Ohio Foxworthy
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1976-05-05
Filing date: 1977-05-04
Publication date: 1984-05-03
Also published as: US4064451A; IT1076737B; FR2350578A1; FR2350578B1; JPS59159842U; CA1083245A; ES468374A1; JPS52151875A; ES468375A1; JPS623877Y2; ES458345A1; GB1568152A; DE2719933A1

Description

a) jeweils ein Reed-Schalter (S) und eine ihm zugeordnete Magnetspule (C) eine Wirkeinheit bilden;

b) die Magnetspulen (C) von einer Wechselspannungsquelle (20) her mit einem eingeprägten Wechselstrom beaufschlagt sind, und

c) die Frequenz des Wechselstromes kleiner als die mechanische Eigenfrequenz der Reed-Schalter (S) ist und seine Amplitude so gewählt ist, daß die Amplitude des durch eine Magnetspule (C) an den Reed-Kontakten erzeugten Wechselfeldes gleich dem Unterschied zwischen den statischen Magnetfeld-Schaltwerten ist, bei welchen die Reed-Schalter (S) öffnen bzw. schließen.

2. Stellungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Magnetspulen (C) jeweils ein einstellbarer Widerstand (26) in Reihe geschaltet ist.

Die Erfindung betrifft einen Stellungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Stellungsmesser ist in dem DE-GM 73 07 484 beschrieben. Um bei diesem Stellungsmesser durch die magnetische Hysterese der Reed-Schalter bedingte Meßfehler zu vermeiden, werden die Reed-Schalter im Hinblick auf Gleichheit der Magnetfeldwerte, bei welchen sie schalten, ausgesucht und an geometrisch exakt äquivalenten Stellen angeordnet.

Diese Lösung hat zum einen den Nachteil, daß man nur eine exakt äquidistante Anordnung der einzelnen Reed-Schalter zulassen kann, während es in der Praxis oft von Interesse ist, in verschiedenen Bereichen eines Stellungsmessers eine unterschiedlich gute Auflösung zu haben. Außerdem ist das Heraussuchen von Reed-Schaltern mit genau gleichem Schaltverhalten sehr aufwendig, und auch eine geometrisch genau äquivalente Anordnung bezüglich des vom Permanentmagneten durchlaufenen Weges läßt sich in der Praxis nur mit großem Aufwand realisieren, insbesondere dann, wenn das Eingangsteil des Stellungsmessers innerhalb eines geschlossenen Behälters angeordnet ist und die Reed-Schalter außerhalb dieses Behälters liegen.

In der DE-PS 8 65 821 ist ein weiterer Stellungsmesser beschrieben, welcher aus einem Permanentmagneten und einer Mehrzahl magnetfeldbetätigter Schalter besteht. Bei diesem Stellungsmesser sind die Schalter als Quecksilberschalter ausgebildet, und in dem Quecksilbervolumen findet sich ein zugleich als Verdränger wirkender magnetischer Anker. Ein derartiger Stellungsmesser hat jedoch den Nachteil, daß er nur in vertikaler Ausrichtung arbeiten kann. Außerdem wird das Schaltverhalten der einzelnen Schalter durch mechanische Reibungskräfte und durch starke Erniedrigung der Umgebungstemperatur beeinträchtigt

In der DE-AS 10 95 360 ist beschrieben, daß man das Schaltverhalten eines Reed-Schalters dadurch verbessern kann,, daß man die Reed-Kontakte unter Verwendung eines magnetischen Vierpolfeldes schaltet, wobei ίο der magnetische Vierpol durch zwei stark gekoppelte Permanentmagnete oder durch eine entsprechende gleichstromdurchflossene Spule gebildet sein kann. Da Vierpolfelder aber generell sehr rasch mit wachsendem Abstand von den Magnetpolen abnehmen, eignet sich

is eine derartige Anordnung weniger gut für einen Steliungsmesser, bei welchem die Bewegungsachse des Permanentmagneten und die Achse, auf welcher die Reed-Schalter angeordnet sind, nicht zusammenfallen. Dies ist aber bei vielen Stellungsmessern der Fall, z. B. bei solchen Stellungsmessern, bei weichen Permanentmagnet und Reed-Schalter durch eine Wand voneinander getrennt sind.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein Stellungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so wei- tergebildet werden, daß unabhängig von der speziellen Geometrie des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes und unabhängig von der speziellen geometrischen Anordnung der einzelnen Reed-Schalter der Hysterese-Effekt ausgeräumt ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Stellungsmesser gemäß Anspruch 1.

In der DE-AS 12 02 011 ist zwar ein elektromechanisches Zählwerk offenbart, bei welchem eine zwischen einen Zählwerk-Antriebsmotor und das Zählwerk geschaltete Magnetkupplung unter Verwendung des Ausgangssignales eines berührungslosen Winkelgebers geschaltet wird. Letzterer umfaßt zwei parallele, entgegengesetzt gepolte Stabmagnete und ist mit einer Eingangswelle des Stellungsmessers drehschlüssig verbunden. Bei Drehen des Eingangsteiles erhält man an den Kontakten eines neben dem Magnetrotor angeordneten Reed-Schahers ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld. Auch bei diesem Stellungsmesser hat man aber dann, wenn eine Stellungsauflösung in beiden Bewegungsrichtungen des Eingangsteiles gewünscht wird, eine Verfälschung des Meßergebnisses durch die den Reed-Kontakten eigene Hysterese.

Bei dem erfindungsgemäßen Stellungsmesser sind dagegen die Kontakte der Reed-Schalter ständig und unabhängig von der Stellung des Permanentmagneten einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt, dessen Amplitude gerade gleich dem Unterschied zwischen den statischen Magnetfeld-Schaltwerten eines Reed-Schalters ist, und zugleich ist die Frequenz dieses magnetisehen Wechselfeldes höher gewählt als die mechanische Eigenfrequenz der Kontakte der Reed-Schalter.

Auf diese Weise überstreicht das magnetische Wechselfeld gerade den Feldbereich zwischen den beiden Schaltschwellen eines Reed-Schalters, wenn der mit dem Eingangsteil des Stellungsmessers gekoppelte Permanentmagnet exakt der Mitte des Schalters gegenübersteht. Eine auch nur kleine Abweichung in der Stellung des Permanentmagneten von der exakten Gegenüberstellung zum Reed-Schalter für dann zur Beaufschlagung der Reed-Kontakte mit die Schaltschwelle in der betrachteten Bewegungsrichtung überschreitenden Feldimpulsen, und wegen der Abstimmung der Frequenz des magnetischen Wechselfelds auf die mechani-

sehe Eigenfrequenz der Kontakte der Reed-Schalter wird der betrachtete Reed-Schalter durch die Magnetfeldimpulse geschaltet

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 kann fertigungsbedingten Toleranzen in den Reed-Schaltern und/oder den ihner zugeordneten Magnetspulen auf einfache Weise Rechnung getragen werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In diesel zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines Stellungsmessers für einen Reaktor-Regelstab;

F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung eines der Hysterese kompensierten Reed-Schalters des Stellungsmessers nach F i g. 1;

F i g. 3 eine graphische Darstellung des Schaltens eines Reed-Schalters beim Vorbeilaufen eines Permanentmagneten;

F i g. 4 eine graphische Darstellung d<_ j magnetischen Wechselfeldes, welches jeweils von einer Magnetspule erzeugt wird, die zusammen mit einem zugeordneten Reed-Schalter eine Wirkeinheit bildet, in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig.5 eine ähnliche Darstellung wie Fig.4, wobei jedoch noch das statische Magnetfeld überlagert ist, welches man bei Annäherung des Permanentmagneten des Stellungsmessers an den betrachteten Reed-Schalter erhält; und

Fig.6 eine ähnliche Darstellung wie Fig.5, wobei jedoch die Verhältnisse nach dem Bewegen des Permanentmagneten über die exakte Gegenüberstellung zum Reed-Schalter hinweg wiedergegeben sind.

F i g. 1 zeigt einen Permanentmagneten 10, der an einer Gleitspindelverlängerung 12 eines nicht dargestellten Regelstabes befestigt ist und im Inneren eines dichten Reaktorgehäuses 14 zusammen mit dem Regelstab verfahren werden kann. Der Hub der Bewegung des Dauermagneten 10 ist in F i g. 1 mit L bezeichnet.

Der Permanentmagnet 10 erzeugt ein lokales Magnetfeld, welches eine nicht magnetische Wand 16 des Reaktorgehäuses 14 durchsetzt und im Außenraum angeordnete Reed-Schalter Si bis Sn betätigt. Die Reed-Schalter sind mit einer Teilung von 50 mm über die Strecke L verteilt und befinden sich in unmittelbarer Nähe der Wand 16.

Die Reed-Schalter Si bis S72 sind an einem 72stufigen Spannungsteiler angeschlossen, welcher aus 72 gleichen, in Reihe geschalteten Widerständen R] bis R₇₂ besteht. Der insgesamt mit 18 bezeichnete Spannungsteiler ist an eine Gleichspannungsquelle P mit einer Ausgangsspannung von 5 V angeschlossen. Je nachdem, welcher der Reed-Schalter S1 bis 572 geschlossen ist, wird ein entsprechender Bruchteil der Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle Pauf ein Anzeigegerät M gegeben. Die Teilung der Reed-Schalter S] bis Sn ist so gewählt, daß eine gleichzeitige Betätigung zweier benachbarter Reed-Schalter S durch den Permanentmagneten 10 nicht erfolgt.

Um einen jeden der Reed-Schalter S] bis Sn ist eine Magnetspule Q bis Cn gewickelt. Die Magnetspulen sind an Speiseleitungen 22 und 24 angeschlossen, also zueinander parallel geschaltet. Der von der Wechselspannungsquelle 20 bereitgestellte Wechselstrom erzeugt um jeden der Reed-Schalter Si bis S72 ein im wesentlichen gleich großes magnetisches Wechselfeld, durch welches die den Reed-Schaltern eigene Hysterese ausgeräumt wird, wie nachstehend noch genauer beschrieben wird. Da die Hysterese geringfügig zwischen den Reed-Schaltern schwanken kann, ist zu einer jeden der Magnetspulen Cl bis C72 ein veränderlicher Widerstand 26 in Reihe geschaltet Auf diese Weise kann das von einer betrachteten Magnetspule erzeugte magnetische Wechselfeld an die zungenförmigen Kontakte des zugehörigen Reed-Schalters angepaßt werden.

Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die F i g. 2 bis 6 die Arbeitsweise des Stellungsmessers nach F i g. 1 näher erläutert.

In F i g. 2 ist ein beliebig herausgegriffener der Reed-Schaltung Si bis S72 mit S„die ihm zugeordnete Magnetspule mit C_x bezeichnet. Ohne Speisung der Magnetspule C_x von der Wechselspannungsquelle 20 her würde das Schließen und das öffnen des Schalters der in F i g. 3 wiedergegebenen Kennlinie 28 folgen. Dieser kann entnommen werden, daß sich bei Annäherung des Permanentmagneten 10 an den Reed-Schalter S_x zunächst ein Magnetfluß der Größe Φ] am Reed-Schalter S_x aufbauen muß, bevor dieser Schalter schließt und damit ein zur Anzeige der Regelstabstellung dienendes Signal an das Anzeigegerät M abgibt. Ist der Reed-Schalter S_A jedoch einmal geschlossen, bleibt er in diesem Zustand, selbst wenn die Größe des vom Permanentmagneten 10 erzeugten Magnetflusses unter den Wert Φ] abfällt. Erst dann, wenn sich der Permanentmagnet 10 vom Reed-Schalter S_x so weit wegbewegt hat, daß der Magnetfluß im Bereich des Reed-Schalters S_x auf den zweiten Wert Φ2 gefallen ist, der erheblich geringer ist als der erste Wert Φ], wird der Reed-Schalter S_x wieder geöffnet. Man erkennt, daß ohne Strombeaufschlagung der Magnetspule C der Schließzustand des Reed-Schalters S_x nur ein ungenaues Maß für die Stellung des Permanentmagneten 10 ist und erkennen läßt, daß sich der Permanentmagnet 10 irgendwo in der Nähe des Reed-Schalters S, befindet. Dieser Nachbarschaftsbereich entspricht demjenigen Teil der Kennlinie 28 von Fig. 3, in welchem der magnetische Fluß ^größer ist als Φ₂.

Fig. 4 zeigt die Verhältnisse bei Speisung der Magnetspule C, von der Wechselspannungsquelle 20 her und über den einstellbaren Widerstand 26. Die Magnetspule C, erzeugt ein magnetisches Wechselfeld Φ_ά um den Reed-Schalter S, herum. Die Amplitude dieses Wechselfeldes ist so klein, daß der Flußbereich, welcher zwischen den Grenzwerten Φ\ und Φ2 liegt, nicht erreicht wird. Liegt der magnetische Wechselfluß Φ_α untei Φ2 und damit auch unter Φ], so kann dieser Wechselfluß den Reed-Schaiter S, nicht umschalten.

Fig. 5 zeigt die Verhältnisse bei gleichzeitiger Berücksichtigung eines äußeren Magnetflusses Φ& welcher vom Permanentmagneten 10 bei Annäherung an den Reed-Schalter S, erzeugt wird. Durch Überlagerung des äußeren Magnetflusses Φ_€ mit dein magnetischen Wechselfluß Φ₂ erhält man einen von der Abszisse 30 des Diagrammes entsprechend entfernten amplitudenmodulierten Gesamtfluß. Bei Annäherung des Permanentmagneten 10 an den Reed-Schalter S_x wird die Wechselflußkomponente Φ, durch die statische Flußkomponente Φ? zunehmend angehoben, bis schließlich ein Zustand erreicht wird, in welchem die Spitzen des Gesamtflusses jeweils kurzfristig den Flußwert Φ] überschreiten.

Die Frequenz des Wechselflusses Φ,, ist so eingestellt, Uuß sie kleiner ist als die mechanische Eigenfrequenz der zungenförmigen Kontakte des Reed-Schakers S₁. Damit bleibt der Reed-Schalter S, geschlossen, wenn die Spitzen des Gesamtflusses den Flußweit Φ] überschreiten.

Entfernt sich der Permanentmagnet 10 von dem betrachteten Reed-Schalter S_x, so sinken die Spitzen des sich aus dem äußeren Magnetfluß Φ_ί. und dem magnetischen Wechselfluß Φ, zusammensetzenden Gesamtflusses unter den Wert Φ-< ab, wie in F i g. 6 gezeigt. Der Reed-Schalter S_x kehrt dann in seinen offenen Zustand zurück.

Kommt der Permanentmagnet 10 in umgekehrter Richtung wieder an dem betrachteten Reed-Schalter S_x vorbei, so bleibt dieser Schalter so lange geschlossen, bis ι ο die Spitzen des durch Überlagerung von externem Magnetfluß Φ_ι. und magnetischem Wechselfluß Φ, erhaltenen Gesamtflusses wieder den Wert Φ\ überschreiten, wodurch der Reed-Schalter S_x wieder geschlossen wird. Der obigen Funktionsbeschreibung ist zu entnehmen, daß durch richtige Einstellung der Amplitude des sinusförmigen magnetischen Wechselschlusses φ, derart, daß dieser Fluß in den durch die Werte Φ\ und Φ₂ begrenzten Hysteresebereich des Reed-Schalters S_x paßt, die den Reed-Schaltern eigene Hysterese ausgeräumt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stellungsmesser mit einer Mehrzahl in Bewegungsrichtung eines Eingangsteiles hintereinander angeordneter hysteresebehafteter Reed-Schalter, welche jeweils zwischen einen zwischen zwei Widerstände einer Spannungsteilerkette liegende Netzwerksknoten und ein Anzeigegerät geschaltet sind, und mit einem mit dem Eingangsteil verbundenen Permanentmagneten, welcher die Reed-Schalter beim Vorbeilaufen schaltet, dadurch gekennzeichnet, daß