-
Elektrisches Schaltgerät
-
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Schaltgerät, das aufgrund
einer mechanischen Bewegung als Fingangsgrbße eine sich I;ndernde elektrische Ausgangsgröße
erzeugt, die fiir Steuer- und Schaltzwecke verwendbar ist.
-
Derartige Schaltgeräte sind nicht mir in mannigfachen Ausfiihrungsformen
auf dem Markt, sondern sie arbeiten auch nach unterschiedlichen Prinzipien und beruhen
auf verschiedenartigen physikalischen Effekten. Beispielsweise umfassen derartige
Schaltgeräte in ihrer einfachsten Ausführungsform einen Kontaktsatz, dessen beide
Kontakte mechanisch aneinanderbewegt bzw. voneinander getrennt werden. Bei anderen
Schaltgeräten sind die Kontakte in ein Glasröhrchen hermetisch dicht abgeschlossen
eingeschmolzen, wobei die federnden Kontaktzungen ferromagnetisch sind oder ein
fermagnetisches oder permanentmagnetisches Teil tragen.
-
Zur Betätigung der Kontaktfeder wird ein Magnet in die Nähe des Glasröhrchens
gebracht bzw. von dort entfernt.
-
Bei einem anderen Schaltgerät - oder Schaltertyp sind eine Lichtquelle
und ein Lichtempfänger vorgesehen, bei dem sich ein Kennwert in Abhängigkeit von
der Belichtung ändert. Die Kennwertänderung wird verstärkt und ggfls. umgewandelt
und bildet ein elektrisches Ausgangssignal. Die änderung des Ausgangssignales erfolgt
aufgrund einer mechanischen Bewegung, mit der beispielsweise eine Blende in den
Strahlengang zwischen Lichtquelle und Lichtempfänger bewegt wird.
-
Schließlich sind auch Schaltgeräte bzw. Schalter bekannt, die einen
elektrischen Oszillator mit einer Spule umfassen.
-
Als Ausgangssignal dient das Vorhandensein oder Fehlen der Oszillatorschwingungen.
Das mechanisch bewegte Gli.ed ist ein Metallblättchen, das an die Oszillatorspule
heranbewegt bzw. von ihr entfernt wird und das, wenn es der Oszillatorspule genügend
nahe ist, diese so stark bedämpft, daß die Oszillatorschwingungen abreißen.
-
Die erstbeschriebenen bekannten Geräte haben den Nachteil, daß sie
mit Kontakten arbeiten, also Verschleiß und ggfls.
-
störanfällig ,beispielsweise in Bezug auf Vibrationen, sind.
-
Die zuletzt beschriebenen Ausführungaftrinen arbeiten zwar kontaktios,
doch erfordern sie einen erheblichen Verstärkungsaufwand und spezielle Schaltungsanordnungen.
Auch sind vor allem optische Systeme anfällig gegen in den Strahlengang gelangenden
Schmutz und Staub. Schließlich sind die Lichtsender, soweit dafür Leuchtdioden verwendet
werden, lichtschwach und daher von begrenzter Reichweite oder sie sind störanfällig,
wenn als Lichtsender Gliihbirnen zum Ein satz kommen, die eine recht begrenzte und
vor allem auch durch Vibrationen reduzierte Lebensdauer haben.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schaltgerät anzugeben,
das kontaktlos und zuverlässig arbeitet, eine hohe Lebensdauer erreicht und einen
vertretbaren Aufwand erfordert.
-
Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von einem Schaltgerät der eingangs
genannten Art, erfindungsgemäß dadurch, daß es einen induktiven Weggeber mit einem
in einer Spule bewegbaren ferromagnetischen Kern umfaßt, daß eine Änierirng der
mechanischen EinRan@sgröe die Position zwischen Kern und Spule verändert,
und daß das Spulenausgangssignal als elektrische Ausgangsgröße dient.
-
Auf diese Weise ist ein neuartiges Schaltgerät geschaffen, das vielseitig
einsetzbar ist und eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer erwarten läßt. Es arbeitet
kontaktlos und bietet den Vorteil, daß es als Stufenschaltgerät ausgebildet werden
kann, wie nächher noch er1Sutert werden wird.
-
Bevorzugt ist die Spule als Differentialtransformator ausgebildet,
dessen Ausgangssignal in seiner Phasenlage und/ oder Amplitude von der Position
des Kerns in der Spule abhängt. Ein solcher Different£altransformator umfaßt eine
Spule mit Mittelanzapfung sowie eine mit dieser Spule induktiv gekoppelte Speisespule,
die entweder unmittelbar mit Netzfrequenz gespeist ist, was den Vorteil hat, daß
auf einen gesonderten Oszillator verzichtet werden kann, oder aber die von einem
eigenen Oszillator gespeist ist, was die Möglichkeit bietet, höhere Frequenzen zu
verwenden. Höhere Frequenzen sind in nachgeschalteten Verstärkern besser zu verarbeiten
und es ist das zeitliche Ansprechverhalten bei höheren Frequenzen gegenüber tieferen
Frequenzen verbessert.
-
Das Spulenausgangssignal kann unmittelbar als Ausgangssignal verwendet
werden. Dabei wird beispielsweise die Spule mit der Mittelanzapfung mit zwei Widerständen
zu einer Brücke zusammengeschaltet, wobei das Nutzsignal imBrückenquerzweig zwischen
der Mittelanzapfung und dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen at,enommen
werden kann.
-
Oder es sind statt einer Spule mit Mittelanzapfung zwei identische
Spulen vorgesehen und gegeneinander geschaltet.
-
Je nach Position des Kernes überwiegt die Spannung der einen oder
der anderen Spule, weil durch den Kern die Kopplung zwischen der Speisespule und
den beiden Spulen oder Spulenhälften verändert wird. Das Differenzsignal kann als
Ausgangssignal verwendet werden. Dabei ist jedoch dieses Signal ein Wechselspannungssignal,
das in der Neutrallage des Kernes Null ist und bei Abweichung des Kernes von der
mittleren zentralen Lage in der einen oder anderen Richtung die Amplitude des Signales
zunimmt, wobei die Phasenlage von der Richtung der Abweichung des Kernes von der
zentralen Lage abhängt.
-
Bei einer bevorzugten Ausfiihrungsform der Erfindung ist dagegen das
Spulenausgangssignal einem Demodulator zugeführt, der ein in der Größe von der Amplitude
und im Vorzeichen von der Phasenlage abhängiges Gleichstromausgangssignal erzeugt.
Ein derartiges Glechstromausgangssignal läßt sich in vielfältiger Weise zum Schalten
und Steuern verwenden.
-
Der bevorzugten Ausfiihmmgsform der Erfindung ist der Spule bzw. falls
vorhanden dem Demodulator ein Diskriminator nachgeschaltet. Ein solcher Diskriminator
oder Schwellwertschalter erzeugt ein Ausgangssignal dann, wenn das Eingangssignal
einen
bestimmten Ansprechschwellwert jiterschreitet.
-
Wird ein Gleichstromeingangssignal angeliefert, beispielsweise vom
Demodulator, dann wird als Diskriminator bevorzugt ein Schmitt-Trigger verwendet.
Auf diese Weise ist es möglich, beliebig viele Schaltstuften ausgangsseitig zu erzeugen,
die einer bestimmten Stellung des Kernes relativ zur Spule entsprechen. Es läßt
sich also auf diese Weise ein kontaktloser Stufen schalter Verwirklichen.
-
Von Vorteil ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung, daß an die Linearität
des induktiven Weggebers weit weniger Anforderungen gestellt werden als in der Meßtechnik,
weil es im vorliegenden Zusammenhang auf die Linearität selbst bei Verwirklichung
eines vielstufigen Schalters praktisch iiberhaupt nicht ankommt, weil durch entsprechende
Einstellung der Ansprechschwellwertetrotzdem ein beliebiger und auch linearer Zusainmnhang
zwischen der Postition des Kernes und dem Ausgangssignal erzielt werden kann.
-
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das Spulenausgangssignal
an den Eingang eines Leistungsverstärkers gelegt, an dem das zu steuernde oder zu
schaltende Bauelement, beispielsweise ein Magnetventil oder ein Servomotor, anschließbar
:i.st. Dabei kann dem Leistungsverstärker ein Demodulator vor- oder nachgeschaltet
sein. Ist der Demodulator dem Le stungsverstärker nachgeschaltet, dann kann der
Leistungsverstärker als Wechselstromverstärker ausgebildet sein, was vorteilhaft
ist, was aber andererseits verlangt, daß der Demodulator eine ausreichende Leistung
verarbeiten kann. Ist von dem i;eistungsverstärker ein Bauelement zu steuern, dessen
bewegliches Element festkleben oder hängenbleiben kann, wie beispielsweise ein Magnetventil,
so ist bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
an einen
Eingang des Leistungsverstärkers ein Vibratorsignal gelegt, zu dessen Erzeugung
bevorzugt ein Chopper vorgesehen ist. Das Vibratorsignal wirkt einem Haften entgegen
und verbessert das Schaltverhalten.
-
Bei einer besonders bevorzugten Ausfiihrungsform der Erfindung ist
der induktive Weggeber mit den zugehörigen elektronischen Bauteilen von Oszillator
bzw. Demodulstor und ggfls. Verstärker zu einer mechanischen Einheit zusammengebaut
und es ist nur noch der Kern relativ zu dieser Einheit bewegbar.
-
Diese Ausführungsform ergibt eine sehr kompakte Anordnung, die sich
durch geringsten Montageaufwand und hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer auszeichnet.
Lediglich die elektrischen Anschlüsse für die Stromversorgung bzw. das zu schaltende
oder zu steuernde Bauelement, wie beispielsweise ein Magnetventil oder ein Servomotor,
sind bei Einbau und Tnbetriebnahme entsprechend zu verbinden. In weiterer Ausgestaltung
ist dabei die Spule, ggfls. einschließlich der mit ihr zusammengebauten elektronischen
Elemente, relativ zu einem Gehäuse bzw. dem Anker stufenlos verschiebbar und justierbar.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine exakte Anpassung an ein mechanisches
Betätigungsglied, dessen unterschiedliche Ausgestaltungen und Anordnungen anschließend
erläutert werden.
-
Bei einer bevorzugten Ausfiihzmgsform der Erfindung ist zur Erzeugung
der mechanischen Relativbewegung des Kernes eine quer zur Kernbewegungsrichtung
bewegbare Platte mit einer in Kernbewegungsrichtung veränderlichen Kontur vorgesehen,
an der der Kern und der Federvorspannung anliegt. Durch entsprechende Wahl des Verlaufes
der Kontur iiber die Länge der Platte oder Schiene hinweg läßt sich ein gewünshtes
Schaltprogramm in Abhängigket von der LängÅverschiebUng der Platte
verwirklichen.
Es können auf diese Weise die unterschiedlichsten Schaltfolgen und Abhängigkeiten
der Schaltfolgen verwirklicht werden.
-
Bei einer anderen Ausfiihrungsform der Erfindung ist die Platte eine
Programmscheibe, weist also eine in der Draufsicht etwa kreisförmige Kontur auf,
und ist um eifl§ zur Kernbewegungsrichtung parallele Achse drehbar. Die aktive,
den Kern betätigende Kontur ist also an der Plattenstirnseite vorgesehen (die Platte
weist also entsprechend der Kontur eine unterschiedliche Dicke auf). Oder es ist
die Platte gemäß einer Ausfijhrungsform eine Programmscheibe, die um eine Achse
drehbar ist, zu der die Kernbewegungsrichtung radial ist. Die veranderliche, den
Kern betätigende Kontur ergibt sich aus der Abweichung der Scheibe von der Kreisfor.
-
Bevorzugt weisen bei diesen erläuterten Ausführungsformen die Platten
zumindest 3 Betätigungshöhen auf, deren mittleres der Ausgangssignalamplitude Null
zugeordnet ist, , wogegen die beiden anderen jeweils einer größeren Ausgangsamplitude
mit unterschiedlichen Vorzeichen bzw. unterschiedlicher Phasenlage zugeordnet sind.
Bereits ohne Diskriminator sind dadurch 3 verschiedene Ausgangsstellungen bzw.
-
Ausgangssteuersignale erzielbar. Beispielsweise eignet sich ein derartiges
Schaltgerät zur Steuerung eines Servomotors, der in der mittleren Stellung stillsteht
und in den beiden anderen Stellungen in unterschiedlicher Drehrichtung läuft.
-
Bei einer bevorzugten weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein
Zwischenhebel, insbesondere ein Rollenhebel vorgesehen und um eine relativ um induktiven
Weggeber
feststehende Achse schwenkbar und es liegt der Kern unter
Federvorspannung an dem Zwischenhebel an, wobei die bewegbare Platte an dew Zwischenhebel
und insbesondere dessen Rolle angreift. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß
die Anlagestelle des Kernes am Zwischenhebel, die sich nicht verändert, optimal
im Hinblick auf die Bewegungsübertragung auf den Kern gestaltet werden kann. Andererseits
kann die Anlage der bewegbaren Platte und deren Kontur an dem Rollenhebel ebenfalls
optimal gestaltet werden. Von Vorteil ist dabei außerdem, daß der verschiebbare
Kern praktisch verschleißfrei betätigbar ist.
-
In der besonders bevorzugten Aiisfjihrungsform der Erfindung ist
der induktive Weggeber als Baueinheit gegen ein Nockenschaltelement eines Nockenschalters
austauschbar und insbesondere in eine Kammer fiir ein Nockenschaltelement «?insetzbar.
Dies hat den Vorteil, daß bereits vorhandene Nockenschalter ohne besonderen Aufwand
nachträglich utnrdstbar sind. Es können daher bei vorhandenen Schaltern die Vorteile
der erfindungsgemäßen Anordnung genutzt werden.
-
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in der Zeichnung dargestellteAusfiihrungsbeispiele
inLZusammenhang mit den Anspriichen. Es zeigen in stark vereinfachte und schematisierter
Darstellung unter Weglassung aller fiir das Verständnis nicht unbedingt erforderlichen
Einzelheiten:
Fig. 1 ein Blockschaltbild des elektrischen Teiles
eines Schaltgerätes mit induktivem Weggeber, Fig. 2 teils in Ansicht, teils im Schnitt
eine Anordnung mit linear verschiebbarer Betätigungsplatte, Fig. 3 teils in Ansicht,
teils im Schnitt eine Anordnung mit drehbarer Axialprogrammscheibe und Fig. 4 teils
in Ansicht, teils im Schnitt eine Anordnung mit Zwischenhebel.
-
Gemäß dem Blockschaltbild von Fig. 1 umfaßt d;.e dort dargestellte
Anordnung ein Netzteil 1 mit einem Spannungsstabilisstor, das einen Oszillator 2
speist, der sei.nerseits vorzugsweise eine Speisespule und .9 symmetrische Meßspulen
umfaßt. Die Speisespule ist an den Ausgang des Oszillators 2 angeschlossen, der
auch gleichzeitig mit entsprechenden Eingängen eines Demodulators 4 verbunden ist,
der außerdem auch mit den Meßspulen der Spulenanordnung 3 verbunden ist.
-
Die induktive Kopplung zwischen den beiden Meßspulen und der Speisespule
wird durch Verschiebung eines ferromagnetischen Kernes 5 bewirkt. Am Ausgang des
Demodulators steht ein Signal an, das ein Meß für die Relativposition des Kernes
5 zur Spulenanordnung 3 ist. Dieses Signal kann unmittelbar verwendet werden. Es
kann auch, falls ein stärkeres Si.gnal. gewünscht wird, dieses Signal einem Lei.stungsverstarker
6 zugeführt werden, dessen Ausgang mit Abeitsgeräten, wie beispielsweise einem Motor,
einem Magnet ventil oder dml. verbindbar ist. Um ein pulsierendes Ausgangs signal
des Leistungsverstärkers 6 zu erhalten, das manchmal erwünscht ist, kann ein Chopper
7 (Zerhacker) vorgesehen sein, der vom Netzgerät 1 gespeist ist und der vorzugsweise
in
seiner Frequenz einstellbar ist. Der Ausgang des Choppers 7 ist an einen Eingang
des Leistungsverstärkers 6 geführt.
-
Der Kern 5 besteht vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Zentral
ab schnitt 8 und an beiden Stirnseiten anschließenden äußeren Abschnitten 9 und
10, die aus nichtferromagnetiscI1e Material, beispielsweise aus Buntmetall, bestehen.
Sie dienen der mechanischen, nicht magnetischen Verlängerung des Kernes 5. An einer
Stirnseite des Kernes 5 liegt eine Druckfeder 11 an, die sich am Boden eines Gehäuses
12 abstützt. Die Druckfeder 11 drückt den Kern 5 aus der Spulenanordnung 3 axial
nach außen, wo er mit einer an den äußeren Abschnitt 9 aufgesetzten Kugelkalotte
13 an einer Platte 14 anliegt. Die Platte 14 ist mechanisch in Richtung eines Pfeiles
19 hin--und herbewegbar. Sie weist auf der dem Kern 5 zugewandten Seite eine Kontur
15 auf, die unterschiedliche Abstände zur Spulenanordnung 3 einnimmt. Dargestellt
ist eine Kontur mit einer oberen Höhe 17 und einer unteren Höhe 18, zwischen denen
jeweils schräge Übergänge vorgesehen sind. Die Spulenanordnung 3 ist dabei so relativ
zur Platte 14 justiert, daß dann, wenn die Kugelkalotte 13 im Bereich der mittleren
Höhe 16 an der Kontur 15 anliegt, der Kern 5 seine Neutrallage einnimmt, in der
die beiden von den Meßspulen erzeugten Spannungen einander entgegengesetzt gleich
sind, so daß das Ausgangssignal als Differenz der beiden Spannungen Null ist. Liegt
dagegen der Kern 5 mit der Kugelkalotte 13 an der Kontur 15 im Bereich der oberen
Höhe 17 oder der unteren Höhe 18 an, dann iibersteigt die Ausgangsspannung einer
der beiden Meßspulen die der anderen der beiden Meßspulen und es wird ein Aiisgangssignal
als Differenzsignal erzeugt, dessen Amplitude von dem Unterschied der oberen bzw.
unteren Höhe von der mittleren Höhe abhängt, wobei
das Vorzeichen
(bzw. die Phasenlage) davon abhängen, ob die Kugelkalotte 13 an der unteren Höhe
18 oder der oberen Höhe 17 der Kontur 15 anliegt, Durch Verschieben der Platte 14
lassen sich also die gewünschten Ausgangssignale erzeugen.
-
Dabei sind das Netzteil 1, der-Oszillator 2, der Demodulator 4 und
ggfls. auch der Leistungsverstärker 6 sowie der Chopper 7 zu einer Elektronikeinheit
20 zusammengefaßt, die zusammen mit der Spulenanordnung 3 eine Baueinheit bildet.
Nach außen fiihren lediglich elektrische Anschliisse 21 für die Verbindung zum Netz
bzw. zum Leistungsverstärker oder dem zu steuernden Gerät. An einer Seite der Elektronikeinheit
20 sind noch Stellglieder 22 von Potentiometern zugänglich, die zur Einstellung
von Null signal und Amplitude dienen.
-
Während bei der Anordnung nach Fig. 2 die Platte 14 als Schiene ausgebildet
ist, ist bei der Anordnung gemäß Fig. 3 die Platte 14' als Kreisscheibe ausgebildet,
die auf einer Welle 29 angebracht ist, deren Achse zur Verschiebungsrichtung des
Kernes 5 parallel. ist. Die dem Kern 5 zugewandte Stirnseite der Platte 14', die
als rotierende Programmscheibe angesehen werden kann, ist entlang dem Umfangkreis,
an dem die Kugelkalotte 13 des Kernes 5 an ihr anliegt, mit einer Kontur 15' versehen,
die vorzugsweise wiederum eine mittlere Höhe 16' und eine untere Höhe 18' bzw. eine
obere Höhe 17' aufweist. Die Abwicklung der Kontur 15 ist in Fig. 3 ebenfalls dargestellt.
Gezeigt ist dabei der Bereich einer Drehung der Welle um insgesamt 3000, nämlich
um + 1500 bis - 1500. Dabei nimmt der Bereich der Kontur 15', der der mittleren
Höhe 16' zugeordnet ist, einen Bereich von +/- 200 symmetrisch zur Nullstellung
der Scheibe ein, wogegen im Endberei.ch der Drehung bei + 1500 die obere Höhe 17'
und in der entgegengesetzten
Richtung bei - 1500 die untere Höhe
18' erreicht ist.
-
Bei der Darstellung nach Fig. 4 ist die Spulenanordnung 3 mit der
Elektronikeinheit 20 und dem Gehäuse 12 in einem Anbauwinkel 23 befestigt, der mittels
Befestigungsbohrungen 24 oder Befestigungslaschen 25 an eine Maschine angebaut werden
kann. An dem Anbauwinkel 23 ist als Zwischenhebel ein Rollenhebel 26 um eine Achse
27 schwenkbar gelagert, die tangential zur Bewegungsrichtung des Kernes 5 verläuft.
-
Am freien Ende des Rollenhebels 26 ist um eine zur Achse 27 parallele
Achse eine Rolle 28 drehbar gelagert, an der ein mechanisches Betätigungsteil in
Gestalt einer Platte 14" mit einer Schrägkontur 15 zur Anlage kommt, wenn sie in
Richtung eines Pfeiles 19" bewegt wird. Die Platte 14" ist beispielsweise Teil eines
Maschinenelementes einer Maschine, das Schaltvorgänge bei Erreichen einer bestimmten
Position auslösen soll.
-
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten, stark
schematisierten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern Abweichungen davon
möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können einzelne
der Erfindiingsmerkmale fiir sich oder zu mehreren kombiniert Anwendung finden.
Bevorzugt wird beispielsweise eine Baueinheit aus einer Spulenanordnung 3 und einer
Elektronikeinheit 20 in einem Gehause 12 eingebaut, das so gestaltet ist, daß es
anstelle seither verwendeter Nockenschaltelemente in einem Nockenschalter ein gesetzt
werden kann.
-
L e e r s e i t e