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Einrichtung zur berührungslosen Abnahme eines
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Wegs oder Winkels mit einem induktiven Stellungsgeber.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen Abnahme
eines Wegs oder Winkels mit einem induktiven Stellungsgeber, der einen verschiebbaren
Kern und eine Wicklung mit entlang der Bewegungsrichtung des Kerns variablem wirksamen
Querschnitt aufweist zur Linearisierung der von dem Stellungsgeber abgegebenen Grösse.
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Bei derartigen Stellungsgebern, die zur berührungslosen Abnahme eines
Wegs oder Winkels wegen ihrer verhältnismässig kleinen Abmessungen, wegen ihrer
Störungsarmut und ihrer einfachen Stromversorgung an sich zweckmässig sind, tritt
das Problem auf, dass die von dem induktiven Stellungsgeber abgegebene Grösse nicht
die gewünschte Abhängigkeit von der Stellung eines beweglichen Elements, nämlich
eines magnetisch wirksamen Kerns, aufweist. Insbesondere ist bei einer Spule mit
gleichmässiger Wicklungsbelegung über der Länge der Spule die Selbstinduktivität
der Spule nicht linear abhängig von der Stellung eines Kerns, der in die Spule eintaucht.
Vielmehr weist die Induktivität insbesondere einen Faktor mit einer quadratischen
Abhängigkeit der Eintauchtiefe des Kerns in den Wickelkörper auf. Hinzu kommen weitere
Nichtlinearitäten, wenn die Wicklung als Induktivität eines Oszillators verwendet
wird. Insbesondere kann hier die von dem Oszillator abgegebene Frequenz reziprok
der Induktivität sein.
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Um eine gewünschte Kennlinie für die Induktivität in Abhängigkeit
von der Stellung eines Kerns insbesondere zur Linearisierung der von dem Stellungsgeber
abgegebenen Grösse zu erhalten, ist es deswegen bereits bekannt, Ferritkerne zu
verwenden,
die über ihre Länge unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
- Solche Ferritkerne mit variablem Durchmesser sind aber verhältnismässig schwierig
herzustellen und daher teuer und eignen sich naturgemäss nur zur Erzielung einer
bestimmten Kennlinie, die nicht leicht abgewandelt werden kann.
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Zum Stand der Technik gehört auch ein induktiver Stellungsgeber mit
einem ferromagnetischen Kern, der zwischen einer mit Wechselstrom gespeisten Primärwicklung
und mindestens einer Sekundärwicklung beweglich angeordnet ist. Um die gewünschte
Kennlinie der Abhängigkeit der von diesem Stellungsgeber abgegebenen Grösse in Abhängigkeit
von der Stellung des Kerns zu erzielen, ist mindestens eine Windung einer Sekundärwicklung
innerhalb der geradlinigen Bewegungsebene des zwischen den Polflächen des Kerns
gebildeten Luftspalts ortsfest angeordnet und zu der von ihr umschlossenen Fläche
in Bewegungsrichtung keilförmig geformt. Damit wird abhängig von der Stellung des
Kerns ein sich ändernder, von der Winc ng umschlossener Flächenanteil innerhalb
des Luftspalts erfasst, in dem ein von der Stellung des Kerns unabhängiges homogenes
Magnetfeld ausgebildet ist. Es wird so ein dem Flächenanteil proportionaler Magnetfluss
mit der Windung verkettet. - Dieser induktive Stellungsgeber ist aber infolge der
Ausbildung der Windungen zwischen den Polflächen des -Kerns ebenfalls nur verhältnismässig
aufwendig herzustellen. Im Hinblick auf die verhältnismässig komplizierte Formung
der Windung empfiehlt es sich, diese insbesondere als gedruckte Schaltung anzufertigen.
Für unterschiedliche Charakteristiken des Stellungsgebers müssen diese gedruckten
Schaltungen neu entworfen werden. Dieser induktive Stellungsgeber ist also verhältnismässig
wenig flexibel, da er nicht leicht abzuwandeln ist. Dies gilt insbesondere dann,
wenn bei kleinen Abmessungen verhältnismässig hohe Induktivitäten erzeugt werden
sollen. Ausserdem eignet sich dieser Stellungsgeber
mit einer Primärwicklung
und einer Sekundärwicklung nicht ohne weiteres dazu, als Bestandteil eines einfachen
Oszillators zu wirken, der eine von der Stellung des Kerns abhängige Frequenz abgibt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter
Vermeidung der Nachteile der bekannten Einrichtungen eine Einrichtung zur berührungslosen
Abnahme eines Weges oder Winkels mit einem induktiven Stellungsgeber zu schaffen,
mit dem eine gewünschte Kennlinie der von dem Stellungsgeber abgegebenen Grösse
in Abhängigkeit von der Stellung des Kerns mit möglichst wenig aufwendigen Mitteln
erzielt werden kann.
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Der induktive Stellungsgeber soll sich insbesondere dazu eignen, in
Verbindung mit einem Oszillator zu arbeiten, wozu er eine in der gewünschten Weise
variierbare Induktivität aufweisen soll, während es nicht darauf ankommt, in einer
Sekundärwicklung durch Induktion von einer Primärwicklung eine variable Spannung
zu erzeugen.
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Diese Aufgabe wird für eine Einrichtung zur berührungslosen Abnahme
eines Weges oder Winkels mit einem induktiven Stellungsgeber der eingangs genannten
Gattung erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein Spulenkörper mit einem in Abhängigkeit
von der Spulenlänge variablen Wickelquerschnitt vorgesehen ist, auf den die Wicklung
mit zur Bewegungsrichtung des Kerns annähernd senkrechten Windungen gewickelt ist.
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Bei dieser Einrichtung wird also auf eine komplizierte Formgebung
des magnetisch wirksamen beweglichen Kerns verzichtet.
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Statt dessen wird die gewünschte Charakteristik durch eine besondere
Formgebung des Spulenkörpers erzielt, dessen Windungsbelegung in Abhängigkeit von
der Spulenlänge veränderlich gewählt ist. Die Funktion des Wicklungsbelags in Abhängigkeit
von der Länge wird in den gewünschten Zusammenhang mit der Charakteristik der von
der Einrichtung abzugebenden
Grösse, insbesondere der Induktivität,
in Abhängigkeit von der Stellung des Kerns gebracht. Da solche Spulenkörper verhältnismässig
wenig aufwendig hergestellt werden können, sind ohne grossen Aufwand verschiedene
Formgebungen der Spulenkörper für die unterschiedlichen gewünschten Charakteristiken
möglich. Hinzu kommt, dass diese Spulenkörper ohne weiteres verhältnismässig kompakt
ausgebildet werden können.
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In einer besonders zweckmässigen Ausgestaltung der Einrichtung hat
diese das Merkmal, dass der Spulenkörper zwischen zwei Flanschen einen annähernd
zylindrischen Träger aufweist, der innen als Hohlzylinder geformt ist und aussen
einen Mantel mit von dem Abstand zu den Flanschen abhängigen Durchmesser aufweist.
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Auf diesen Spulenkörper kanns wenn die Abhängigkeit des Durchmessers
des äusseren Mantels von dem Abstand zu den Flanschen richtig gewählt ist, die Wicklung
so erfolgen, dass der von ihm gebildete Aussenmantel einen gleichmässigen Durchmesser
unabhängig von der Stelle des Durchmessers zwischen den Flanschen hat. Dieser Spulenkörper
ist, trotz der unter Umständen verhältnismässig komplizierten Formgebung, verhältnismässig
einfach zu bewickeln.
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Die Herstellung des Spulenkörpers kann dadurch besonders wenig aufwendig
durchgeführt werden, dass der Spulenkörper aus Kunststoff besteht. Damit lassen
sich durch die üblichen Kunststoffverarbeitungsverfahren weitgehend freizügig mit
geringem Aufwand fast beliebige Formen mit der gewünschten Abhängigkeit des Durchmessers
des Mantels von dem Abstand zu den Flanschen herstellen. Solche für Spulenkörper
geeignete Kunststoffe lassen sich wesentlich einfacher bearbeiten
als
Ferrite, die als ferromagnetische Materialien des beweglichen Kerns verwandt werden.
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In besonders bevorzugter Weise ist die Einrichtung mit den Merkmalen
ausgebildet, dass die Spule in einer drei Negationsglieder und zwei Widerstände
aufweisenden Schwingschaltung angeordnet ist und dass der Wickelquerschnitt der
Spule zur Bildung einer gewünschten, vorzugsweisen linearen Abhängigkeit der von
der Schwingschaltung abgegebenen Frequenz von der Stellung eines bezüglich der Spule
verschiebbaren Kerns ausgebildet ist.
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Hier ist also die Spule, deren Wickelquerschnitt in Abhängikeit von
der Spulenlänge variabel ist, Bestandteil eines Oszillators. Der Oszillator kann
mit sehr geringem Aufwand dadurch realisiert werden, dass die Negatoren als integrierter
Schaltkreis in der CMOS-Technik ausgebildet sind. Diese Schaltungsanordnung zeichnet
sich nicht nur durch sehr niedrigen Herstellungsaufwand, sonder durch hohe Frequenzstabilität
in einem weiten Temperaturbereich aus, wobei die Frequenz durch die Gestaltung des
Spulenkörpers vorzugsweise in eine lineare Abhängigkeit von der Stellung eines bezüglich
der Spule verschiebbaren Kerns gebracht wird.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit zwei Figuren
erläutert. Es zeigt: Fig. 1 die erfindungsgemässe Spule in einem vergrösserten Längsschnitt
und Fig. 2 eine Oszillatorschaltung unter Verwendung der Spule nach Fig. 1.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein Spulenkörper bezeichnet, der im wesentlichen
aus zwei Flanschen 2 und 3 und einem Träger 4 zwischen beiden Flanschen besteht.
Der Träger ist mit einem Hohlzylinder 5 ausgebildet, in den ein nicht dargestellter
ferromagnetischer Kern hineinreichen kann.
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Die Besonderheit dieses Spulenkörpers besteht darin, dass der Träger
aussen einen Mantel 6 aufweist, dessen äusserer Durchmesser in Abhängigkeit von
dem Abstand zu dem Flansch 2 bzw. zu dem Flansch 3 variabel ausgebildet ist. Entsprechend
der Variation des Durchmessers in Abhängigkeit von dem Abstand zu den Flanschen
wird derart eine bestimmte Funktion der Induktivität einer auf den Träger gewickelten
Wicklung in Abhängigkeit von der Stellung des Kernes entlang dem mit einer unterbrochenen
Linie angedeuteten Weg 7 erzielt.
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Die Abhängigkeit des äusseren Durchmessers des Trägers 4 von dem Abstand
zwischen den Flanschen ist dabei so berechnet, dass die Spule aussen einen Zylindermantel
8 aufweist, d.h. das Äussere der Spule braucht sich von demjenigen einer normalen
Spule nicht zu unterscheiden.
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Die Abhängigkeit des Durchmessers des Trägers von dessen Lage zwischen
den Flanschen kann auch so gewählt werden, dass sich eine gewünschte Abhängigkeit
der Frequenz eines Oszillators von der Lage des Kerns entlang dem Weg 7 ergibt,
wenn die Spule nach Fig. 1 in eine selbstschwingende Schaltung eingebaut ist.
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Eine solche Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Schwingschaltung
ist mit 3 zu einander in Reihe angeordneten
Negatoren 10, 11 und
12 aufgebaut, die Bestandteil einer integrierten Schaltung in CMOS-Technik sind.
Zwischen dem Ausgang des dritten Negators 12 und dem Eingang des ersten Negators
10 sind eine Spule 13 und ein erster Widerstand 14 in Reihe geschaltet. Von der
Verbindungsstelle zwischen der Spule 13 und dem ersten Widerstand zweigt ein Zweig
mit einem zweiten Widerstand 15 ab, der zu der Verbindungsleitung zwischen dem Ausgang
des zweiten Negators 11 und dem Eingang des dritten Negators 12 führt.
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Unter der Voraussetzung, dass die Werte des ersten und zweiten Widerstands
gleich sind, beträgt die Ausgangsfrequenz an der Ausgangsleitung 16 ungefähr die
Hälfte des Quotienten zwischen diesem Widerstandswert und der Induktivität der Spule
13.
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Die Spule 13 ist nun,wie im einzelnen zu Fig. 1 dargestellt, so ausgebildet,
dass sich eine lineare Abhängigkeit der Frequenz auf der Leitung 16 von der Stellung
eines bezüglich der Spule 13 verschiebbaren Kerns 17 ergibt.