DE2905282C2 - Schaltgerät, das aufgrund einer mechanischen Bewegung eine elektrische Ausgangsgröße erzeugt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltgerät, das aufgrund einer mechanischen Bewegung als Eingangsgröße eine sich ändernde elektrische, für Steuer- und Schaltzwecke geeignete Ausgangsgröße erzeugt, mit einem induktiven Weggeber mit einem in einer wechselstromgespeisten Spule bewegbaren ferromagnetischen Kern, der relativ zur Spule durch die mechanische Eingangsgröße verschiebbar ist, wobei das Spulenausgangssignal als elektrische Ausgangsgröße dient.

Solche Schaltgeräte sind durch die DE-PS 10 35 874, die DE-AS 10 75 739, die DE-OS 15 88 272 und die DE-AS 19 28 294 bekanntgeworden. Bei diesen bekannten Schaltgeräten umfaßt die Spule zwei miteinander gekoppelte Wicklungen, von denen die eine mit Wechselstrom gespeist wird und dadurch in der anderen eine Wechselspannung induziert, weiche die Ausgangsgröße bildet. Die Amplitude der induzierten Wechselspannung hängt von der magnetischen Kopplung zwischen den beiden Wicklungen ab, die ihrerseits durch die Stellung eines ferromagnetischen Kernes beeinflußt wird. Bei einer Verschiebung des Kernes nimmt die Amplitude der Wechselspannung zunächst zu, bis sie nach Erweichen eines Maximalwertes wieder abnimmt. Deshalb ist das Ausgangssignal der bekannten Schaltgerate zweideutig, wenn man sich nicht auf das Erreichen des Maximalwertes als Ausgangssignal beschränkt oder wenn man den Weg des Kernes nicht mechanisch begrenzt.

Es ist zwar bekannt, die zuvor erwähnte Zweideutigkeit des Ausgangssignales für Meßzwecke durch Anschluß eines Demodulators zu beheben, jedoch erfordert ein solcher Demodulator die Anwendung eines zusätzlichen Gerätes, was zwar bei Meßvorgängen in Kauf genommen werden kann, was aber eine Verwendung einer solchen Anordnung als, für den Alltagsgebrauch geeignetes Schaltgerät ausschließt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schaltgerät der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine Eindeutigkeit des Ausgangssignales zur Eingangsgröße erzielt wird und die Anordnung so aufgebaut ist, daß sie als Schaltgerät für den Einsatz durch jeden Elektriker geeig.iet ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Spulenausgangssignal einem Demodulator zugeführt wird, der ein in der Größe von der Amplitude und dem Vorzeichen von der Phasenlage abhängiges Gleichstromausgangssignal erzeugt, daß der induktive Weggeber mit den elektronischen Elementen zusammen eine mechanische Einheit bildet und nur noch der Kern relativ zu dieser Einheit bewegbar ist, und daß die Einheit relativ zu einem Gehäuse stufenlos verschiebbar und justierbar ist.

Durch die Erfindung wird ein Schaltgerät geschaffen, daß von jedem Betriebselektriker, der nicht über spezielle meßtechnische oder hochfrequenztechnische Kenntnisse verfügt, benutzt und eingesetzt werden kann. Insbesondere kann ein solches Schaltgerät als kompakte Einheit ebenso eingesetzt werden wie ein mechanisches Schaltwerk mit Kontakten. Die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Schaltgerät als Einheit relativ zu einem Gehäuse einstellbar anzuordnen, erlaubt eine bequeme Anpassung an die jeweiligen Gegebenheiten des Einsatzfalles. Insbesondere läßt sich

dadurch in vorteilhafter Weise eine in vielen Fällen nur ungünstig zu verwirklichende Justage zwischen einem mechanischen Betätigungsglied und dem Kern vermeiden. Diese Möglichkeit ist für die praktische Anwendung des Schaltgerätes von hoher Bedeutung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dem Demodulator ein Schwellwertschalter nachgeschaltet. Ein solcher Schwellwertschalter erzeugt ein Ausgangssignal dann, wenn das Eingangssignal einen bestimmten Ansprechschwellwert überschreitet. Wird ein Gleichstromeingangssignal angeliefert, beispielsweise vom Demodulator, dann wird als Schwellwertschalter bevorzugt ein Schmitt-Trigger verwendet. Auf diese Weise ist es möglich, beliebig viele Schaltstufen ausgangsseitig zu erzeugen, die einer bestimmten Stellung des Kernes relativ zur Spule entsprechen. Es läßt sich also auf diese Weise ein kontaktloser Stufenschalter 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 Veiwirklichung eines vielstufigen Schalters praktisch überhaupt nicht ankommt, weil durch entsprechende Einstellung der Ansprechschwellwerte trotzdem ein beliebiger und auch linearer Zusammenhang 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 ist. Dabei kann dem Leistungsverstärker ein Demodulator vor- oder nachgeschaltet sein. Ist der Demodulator dem Leistungsverstärker 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 Leistungsverstärker 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 Zerhacker vorgesehen ist. Das Vibratorsignal wirkt einem Haften entgegen und verbessert das Schaltverhalten.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der induktive Weggeber mit den zugehörigen elektronischen Bauteilen von Oszillator bzw. Demodulator 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 Inbetriebnahme 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 Ausführungsform 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 die Federspannung anliegt. Durch entsprechende Wahl des Verlaufes der Kontur über die Länge der Platte oder

ίο Schiene hinweg läßt sich ein gewünschtes Schaltprogramm in Abhängigkeit von der Längsverschiebung der Platte verwirklichen. Es können auf diese Weise die unterschiedlichsten Schaltfolgen und Abhängigkeiten der Schaltfolgen verwirklicht werden.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Platte eine Programmscheibe, weist also eine in der Draufsicht etwa kreisförmige Kontur auf, und ist um eine zur Kernbewegungsrichtung parallele Achse drehbar. Die aktive, den Kern betätigende Kontur ist also an der Plattenstirnseite vorgesehen (die Platte weist also en'sprechend der Kontur eine unterschiediiche Dicke auf). Oder es ist die Platte gemäß einer Ausführungsform eine Programmscheibe, die um eine Achse drehbar ist, zu der die Kernbewegungsrichtung radial ist. Die veränderliche, den ΚεΓη betätigende Kontur ergibt sich aus der Abweichung der Scheibe von der Kreisform.

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 Tiit unterschiedlichen Vorzeichen bzw. unterschiedlicher Phasenlage zugeordnet sind. Bereits ohne Schwellwertschalter 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 beider, anderen Stellungen in unterschiedlicher Drehrichtung läuft.

Bei einer bevorzugten weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Zwischenhebel, insbesondere ein Rollenhebel vorgesehen und um eine relativ zum induktiven Weggeber feststehende Achse schwenkbar und es liegt der Kern unter Federspannung an dem Zwischenhebel an, wobei die bewegbare Platte an dem Zwischenhebel und insbesondere dessen Rolle angreift. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Anlagestelle des Kernes am Zwischenhebel, die sich

so 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

^r>5 der verschiebbare Kern praktisch verschleißfrei betätigbar ist.

In der besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der induktive Weggeber als Baueinheit gegen ein Nockenschaltelement eines Nockenschalters austauschbar und insbesondere in eine Kammer für ein Nockenschaltelement einsetzbar. Dies hat den Vorteil, daß bereits vorhandene Nockenschalter ohne besonderen Aufwand nachträglich umrüstbar sind. Es können daher bei vorhandenen Schaltern die Vorteile der ertindungsgemäßen Anordnung genutzt werden.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in der Zeichnung dargesteliter

Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Ansprüchen. Es zeigt in stark vereinfachter und schematisierter Darstellung unter Weglassung aller für das Verständnis nicht unbedingt erforderlichen Einzelheilen

Fig. 1 ein Blockschaltbild des elektrischen Teiles eines Schaltgerätes mit induktivem Weggeber,

Fig. 2 teils in Ansicht, teils im Schnitt eine Anordnung mit linear veschiebbaren 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 die dort dargestellte Anordnung ein Netzteil 1 mit einem Spannungsstabilisator, das einen Oszillator 2 speist, der seinerseits vorzugsweise eine Speisespule und 2 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 Maß für die Relativposition des Kernes 5 zur Spulenanordnung 3 ist. Dieses Signal kann unmittelbar verwendet werden. Es kann auch, falls ein stärkeres Signal gewünscht wird, dieses Signal einem Leistungsverstärker 6 zugeführt werden, dessen Ausgang mit Arbeitsgeräten, wie beispielsweise einem Motor, einem Magnetventil oder dgl. verbindbar ist. Um ein pulsierendes Ausgangssignal 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 Zerhackers 7 ist an einen Eingang des Leistungsverstärkers 6 geführt.

Der Kern 5 besteht nach Fig. 2 vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Zentralabschnitt 8 und an beiden Stirnseiten anschließenden äußeren Abschnitten 9 und 10, die aus nicht-ferromagnetischem Material, beispielsweise aus Buntmetall, bestehen. Sie dienen der mechanischen, nichtmagnetischen Verlängerung des Kernes 5. An einer Stirnseite des Kernes 5 liegt eine Druckfeder II 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 Obergänge 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 übersteigt die Ausgangsspannung einer der beiden Meßspulen die der anderen der beiden Meßspulen und es wird ein Ausgangssignal 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

ίο 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 führen lediglich elektrische Anschlüsse 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 Nullsignal und Amplitude dienen.

Während bei der Anordnung nach F i g. 2 die Platte 14 als Schiene ausgebildet ist, ist bei der Anordnung gemäß F i g. 3 die Platte 14' als Kreisscheibe ausgebildet, die auf einer Welle 29 angebracht ist, deren Achse 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 Umfangskreis, 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 300°, nämlich um +150° bis — 150^c. Dabei nimmt der Bereich der Kontur 15', der der mittleren Höhe IS' zugeordnet ist, einen Bereich von +/—20° symmetrisch zur Nullstellung der Scheibe ein. wogegen im Endbereich der Drehung bei + 150° die obere Höhe 17' und in der entgegengesetzten Richtung bei —150° die untere Höhe 18' erreicht ist.

Bei der Darstellung nach F i g. 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

so 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 Maschineneiementes 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 Erfindungsmerkmale für sich oder zu mehreren kombiniert Anwendung finden. Bevorzugt wird beispielsweise eine Baueinheit aus einer Spulenanordnung 3 und einer Elektronikeinheit 20 in einem Gehäuse 12 eingebaut das so gestaltet ist daß es anstelle seither verwendeter Nockenschaltelemente in einem Nockenschalter eingesetzt werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Schaltgerät, das aufgrund einer mechanischen Bewegung als Eingangsgröße eine sich ändernde elektrische, für Steuer- und Schaltzwecke geeignete Ausgangsgröße erzeugt, mit einem induktiven Weggeber mit einem in einer wechselstromgespeisten Spule bewegbaren ferromagnetischen Kern, der relativ zur Spule durch die mechanische Eingangsgröße verschiebbar ist, wobei das Spulenausgangssignal als elektrische Ausgangsgröße dient, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulenausgangssignal einem Demodulator (4) zugeführt wird, der ein in der Größe von der Amplitude und im Vorzeichen von der Phasenlage abhängiges Gleichstromausgangssignal erzeugt, daß der induktive Weggeber (1 bis 5) mit den elektronischen Elementen zusammen eine mechanische Einheit (3, 12, 20) bildet und nur noch der Kern (5) relativ zu dieser Einheit bewegbar ist, und daß die Einheit relativ zu einem Gehäuse stufenlos verschiebbar und justierbar ist.

2. Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Demodulator (4) ein Diskriminator nachgeschaltet ist.

3. Schaltgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulenausgangssignal an den Eingang eines Leistungsverstärkers (6) gelegt ist.

4. Schaltgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an einen Eingang des Leistungsverstärkersie) ein Vibratorsignal gelegt ist.

5. Schaltgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Vibratorsignales ein Zerhacker (7) vorgesehen ist.

6. Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der mechanischen Relativbewegung des Kernes (5) eine quer zur Kernbewegungsrichtung bewegbare Platte (14) mit einer in Kernbewegungsrichtung veränderlichen Kontur vorgesehen ist, an der der Kern unter der Vorspannung einer Feder (11) anliegt.

7. Schaltgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte eine Programmscheibe (14') ist, die um eine zur Kernbewegungsrichtung parallele Achse (29) drehbar ist.

8. Schaltgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte eine Programmscheibe ist, die um eine Achse drehbar ist, zu der die Kernbewegungsrichtung radial ist.

9. Schaltgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (14) drei oder mehr Betätigungsebenen (16, 17, 18) aufweist.

10. Schaltgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenhebel, insbesondere ein Rollenhebel (26), vorgesehen und um eine relativ zum induktiven Weggeber (3,12,20) feststehende Achse (27) schwenkbar ist, daß der Kern (5) unter Federvorspannung an dem Zwischenhebel (26) anliegt und daß die bewegbare Platte (14") an dem Zwischenhebel und insbesondere dessen Rolle (28) angreift.

11. Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als Baueinheit gegen Nockenschaltelemente eines Nokkenschalters austauschbar und insbesondere in eine Kammer für ein Nockenschaltelement des Nockenschalters einsetzbar ist.