DE2915595A1

DE2915595A1 - Positionsuebertrager mit magnetischen elementen

Info

Publication number: DE2915595A1
Application number: DE19792915595
Authority: DE
Inventors: John Daniel Spindler
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1978-04-21
Filing date: 1979-04-18
Publication date: 1979-10-31
Also published as: JPS54141659A; IT7921961A0; GB2019582B; GB2019582A; FR2423749A1; CA1073077A; US4156223A

Description

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ILLINOIS TOOL WORKS INC.

Positionsübertrager mit magnetischen Elementen

Die Erfindung betrifft eine Abtasteinrichtung mit einem länglichen Rohr aus magnetisch sättigbarem Material, mindestens einem im wesentlichen parallel zu der Längsachse des Rohres durch dieses hindurchlaufenden Lesedraht und Magnetpolen,, die den an sie angrenzenden Teil des Rohres vollständig magnetisch sättigen, jedoch den verbleibenden Teil des Rohres bezüglich der magnetischen Sättigung im wesentlichen nicht beeinflussen, so daß sich das gesamte Volumen des Rohrs, das vollständig magnetisch gesättigt

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ist, in genauer Weise in Abhängigkeit von der Lage der Magnetpole relativ zum Rohr verändert.

Ein solcher Positionsübertrager ist bereits in der US-Patentschrift 3 958 203 der Anmelderin beschrieben worden. Der übertrager besitzt dabei ein längliches Rohr, das aus einem magnetisch sättigbaren Material gefertigt ist. Ein Lesedraht verläuft durch dieses Rohr und es sind zwei entgegengesetzt gepolte Magnete diametral an gegenüberliegenden Seiten außerhalb des Rohres so angeordnet, daß der Magnetfluß von den Magneten den Teil des Rohres vollständig sättigt, der zwischen den Magneten liegt, während der verbleibende Teil des Rohres ungesättigt bleibt.

Gemäß der genannten Patentschrift wird ein hohles, längliches, zylindrisches Rohr aus magnetisch sättigbarem Material verwendet, durch das ein Lesedraht hindurchläuft und entlang dessen Außenfläche entgegensetzt gepolte Magnete entlangbewegbar sind, um so eine genaue, lineare Anzeige der Position der Magnete relativ zu dem Rohr in dem Lesedraht zu erzeugen. Mit anderen Worten, es wird kein Ausgangssignal in Form einer "1" oder einer "0" erzeugt, sondern es wird statt dessen genau die Position der Sättigungsmagnete relativ zu dem Rohr bestimmt. Der Teil des länglichen Rohres, der zwischen den Magneten liegt, ist gesättigt, während der verbleibende Teil ungesättigt ist. Da das Rohr einen geschlossenen Flußweg bildet, ist kein wesentlicher Randeinfluß an den Enden der Sättigungsmagnete vorhanden, und es verbleibt deshalb der Teil des Rohres, der nicht zwischen den Magneten liegt, im wesentlichen ungesättigt. Da das Ausgangssignal an dem Lesedraht nicht von den Magneteigenschaften des Rohres abhängt, sondern allein von der Lage der Magnete relativ zu dem Rohr, wird ein sehr lineares Ausgangssignal erhalten.

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Zusätzlich sind magnetische Sensoren, die von einer teilweisen Sättigung des Abtastelementes abhängen, beeinflussende Probleme ausgeschaltet wie Teraperaturveränderungen und AlterungsVeränderungen. Weiterhin ist die Magnetkraft, die zum Betreiben der Vorrichtung notwendig ist, wegen der Verläßlichkeit der Sättigung des Rohrs zwischen den Magneten zur Erzeugung des Ausgangssignals nicht kritisch.

Die bekannten Abtasteinrichtungen dieser Art besitzen jedoch noch einen erheblichen Nachteil. Dieser besteht unter anderem darin, daß der elektrische Steigungswert, d.h. die Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Stellung der Magnete relativ zu dem Rohr, durch die Länge des Rohrs bestimmt wird. Dieser Steigungswert hängt also von Fertigungstoleranzen und Abmessungen des Rohres und der Magnete ab. Wenn die Längentoleranz bei der Fertigung somit zu einem zu großen Wert führt, ist dieser Steigungswert geringer als gewünscht, wenn die Längentoleranz die Länge verkleinert, ist der Steigungswert dagegen höher als es für sehr genaue Anwendungen erforderlich ist. Dieser Steigungswert kann zwar mittels einer entsprechenden Elektronik ausgeglichen werden. Dies hat jedoch den Nachteil, daß dann die Abtasteinrichtung und die zugehörige Elektronik genau aufeinander abgestimmt sein müssen und nicht untereinander austauschbar sind. Dieser Nachteil soll durch die vorliegende Erfindung überwunden werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ausgehend von der eingangs definierten Abtasteinrichtung diese dergestalt konstruiert ist, daß alle Toleranzen einen anfänglichen elektrischen Steigungswert ergeben, der niedriger ist als der gewünschte Steigungswert, und an einem Ende des Rohrs ein in dessen Längsrichtung verlaufender Schlitz von einer solchen Länge eingeschnitten ist, daß der elektrische

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Steigungswert auf den gewünschten Wert vergrößert ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen in Ausführungsbeispxelen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausgestaltung der Erfindung mit einem Rohr,

Fig. 2 eine Endansicht der Abtasteinrichtung gem. Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm, aus der die Relation

zwischen der Position der Sättigungsmagnete und der Induktivität der Vorrichtung hervorgeht, wenn diese als Induktionselement betrieben und gem. Fig. 1 konstruiert ist,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem zwei Rohre miteinander zu einem Differentialpotentiometer verbunden sind, und

Fig. 5 ein Diagramm, das die elektrische Steigung des Rohrs gem. Fig. 1 im Hinblick auf eine Verschiebung der Sättigungsmagnete mit und ohne Steigungsjustierung zeigt.

In der zitierten US-Patentschrift sind Positionsübertrager gezeigt, die sehr linear, kontaktlos, sehr genau und verläßlich, in schwierigen Umgebungen funktionsfähig und relativ billig sind. Die grundsätzliche Art, in der die linearen übertrager gem. dieser US-Patentschrift konstruiert sind,

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ist aus Fig. 1 ersichtlich, die ein längliches, hohles Rohr 10 zeigt, das aus einem Ferrit oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann, das magnetisch sättigbar ist. Wenn eine induktive Version des Übertragers gewünscht wird, kann lediglich ein Lesedraht 12 durch das Rohr parallel zu dessen Längsachse geführt sein. Alternativ dazu kann auch außerdem ein Treiberdraht 14 in das Rohr 10 eingesetzt und mit elektrischen Stromimpulsen gespeist werden, um so eine Transformatorwirkung zwischen dem Treiberdraht 14 und dem Lesedraht 12 zu erzeugen. Durch die Benutzung des zylindrischen, hohlen Rohrs 10 entsteht ein geschlossener magnetischer Flußpfad rund um den Lesedraht 12 durch die Wand 16 des Rohrs 10.

Die tatsächliche Länge des Rohrs 10 hängt von dem Typ und der Genauigkeit der gewünschten Abtastung ab. Im allgemeinen ist jedoch die Längsausdehnung L₁ des Rohrs in der Größenordnung von mindestens dem zehnfachen der Dicke von konventionellen Toroidkernen, die im Handel für Magnetspeicherkernanwendungen erhältlich sind. Die Längsausdehnung L. des Rohrs 10 ist im allgemeinen über 2,5 cm, wenn eine relativ genaue Abtastung verlangt wird. Die Längsausdehnung L„ der Magnete 18 und 20 ist annähernd gleich der Längsausdehnung L₁. Je langer das Rohr ist, desto höher wird die Genauigkeit der Abtastvorrichtung. Die relative Position der beiden Magnete 18 und 20, die entgegengesetzt gepolt sind und außen am Umfang der Wand 16 angrenzen, bestimmen das Ausgangssignal, das an dem Lesedraht 12 erscheint. Wenn die Magnete 18 und 20 von der linken Seite gem. Fig. 1 nach rechts wandern, sättigen sie einen immer größeren Teil des Volumens des Rohrs 10. In der in Fig. 1 gezeigten Position ist der Teil A des Rohrs 10 zwischen den Magneten 18 und 20 im wesentlichen gesättigt, während der Teil B außerhalb der

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Magnete 18 und 20 im wesentlichen ungesättigt ist. Obgleich auch ein gewisser Sättigungsgrad in der Nachbarschaft der Grenzlinie 22 zwischen den Teilen A und B vorhanden ist, ist dieser aufgrund der dichten Nachbarschaft der Magnete 18 und 20 zueinander und aufgrund des geschlossenen Magnetflußpfades durch die Wand 16 sehr klein.

Wenn die Magnete 18 und 20 nach rechts oder links über das Rohr bewegt werden, ist ein entsprechend unterschiedlicher Betrag des Volumens des Rohrs magnetisch gesättigt, so daß die relative Position des Rohrs 10 relativ zu den Magneten angezeigt wird. Da jeder Teil des Rohrs entweder völlig gesättigt oder im wesentlichen ungesättigt ist, ist die Vorrichtung faktisch unabhängig von Temperatur- und Alterungseinflüssen und verlangt keine kritische Magnetkraft, wie es der Fall wäre, wenn das gesamte Rohr durch die Magnete 18 und 20 teilweise magnetisch gesättigt wäre. Somit kann das Rohr zusätzlich mit einem hohen Grad magnetischer Auflösung und Steuerung gesättigt sein. Um dieses zu erzielen, muß ein großes Verhältnis der Längsausdehnung L₁ des Rohrs 10 in bezug auf dessen Durchmesser d vorhanden sein, so daß der schmale Luftspalt zwischen den Magneten 18 und 20 und der Wand 16 einen begrenzteren und steuerbareren Fluß ergibt und der Übertrager somit nicht abhängig von der Flußdichte ist.

Das Rohr 10 kann durch Extrudieren hergestellt sein, welches eine große Gleichmäßigkeit bezüglich des Querschnittes ergibt und zur Genauigkeit des Übertragers beiträgt. Da die Induktionswindungen nicht um das Rohr 10 herumgewunden sind, können die Magnete 10 und 12 auch dicht an der Viand 16 angeordnet sein und eine geringe Wandstärke der Wand 16 ebenfalls zu einer hohen magnetischen Auflösung beitragen. Das Diagramm

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gem. Fig. 3 zeigt, daß beim Zunehmen des Abstandes D von der linken Seite des Rohrs zu den rechten Seiten 24 und 26 der Magnete 18 und 20 die Induktivität des Rohrs 10 in im wesentlichen linearer Weise abnimmt in Abhängigkeit von der relativen Position der Magnete 18 und 20 zu dem Rohr 10.

Wie oben erwähnt, kann der erfindungsgemäße übertrager als Transformatorelement durch Hinzufügung eines Treiberdrahtes 14 zu der induktiven Ausführung, die nur einen Lesedraht 12 benutzt, gem. Fig. 1 ergänzt werden. Außerdem kann die vorliegende Erfindung in einer Kombination mit anderen Elementen oder zusätzlichen Übertragern eingeschaltet sein. Beispielsweise zeigt die Ausbildung gem. Fig. 4 eine Konfiguration, bei der ein erstes magnetisches Rohr 10" nahe einem zweiten magnetischen Rohr 10"' derart angeordnet ist, daß die Längsachsen der Rohre miteinander ausgerichtet sind. Die Lesedrähte 12' und 12'' durch die Rohre 10' und 10'' sind miteinander am Mittelpunkt verbunden und ergeben somit eine Vorrichtung mit drei Ausgängen, die als Differentialpotentiometer verwendbar ist. Wenn die Magnete 18' und 20' sich über die Rohre 10' und 10"' bewegen, werden unterschiedliche Teile der Rohre gesättigt und ungesättigt. Fig. 5 zeigt die Beziehung des Abstandes D¹ von der Mittellinie C zwischen dem linken Ende des Rohrs 10' und dem rechten Ende des Rohrs 10'' zu dem linken Ende der Magnete 18' und 20', bei deren Bewegen gem. Fig. 4 nach rechts im Hinblick auf das Verhältnis der Induktivität des Rohrs 10'" zu der Induktivität des Rohrs 10' für eine Ausbildung als Induktor. Ein ähnliches lineares Induktivitätsverhältnis wird erhalten, wenn sich die Magnete nach rechts bewegen. Wie bei der Ausbildung gem. Fig. 1 kann die Vorrichtung zu einem Transformatortyp umgewandelt werden, indem lediglich die Treiberdrähte 14' und 14'' zugefügt werden, die bei der Induktorversion nicht benutzt werden.

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Die Ausführung gem. Fig. 4 kann auch durch Hinzufügen von Treiberdrähten 14' und 14'' zur Bildung einer Differentialformat or ausbildung modifiziert werden. In diesem Fall werden die rechten Seiten der Drähte 14' und 14'' miteinander verbunden, um so die Ausgangswicklungen des Potentiometers zu bilden, während die Drähte 12' und 12'' wiederum die Lesedrähte bilden.

Wenn lediglich der Lesedraht in der Ausbildung gem. Fig. 1 verwendet wird und wenn diese als Induktions-Abtastelement verwendet wird, wird üblicherweise ein Wechselstrom-Erregungssignal verwendet. Die Erregung wird grundsätzlich von einer Stromquelle bewirkt, so daß die Spannung an dem induktiven Übertrager direkt proportional ist zu der Veränderung der Induktivität, die durch die relative Position der Magnete 18' und 20' zu den Rohren 10" und 10'' bewirkt wird. Der Induktor kann mit ainem Oszillatorkreis in üblicher Weise zum Abtasten verbunden werden.

Wenn ein Potentiometer-Übertrager mit drei Ausgängen, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, gewünscht wird, kann eine Erregung mit konstanter Spannung über die Lesedrähte 12' und 12'' eingeprägt werden. Wenn die Treiberdrähte 14' und 14'' in der Ausbildung gem. Fig. 4 hinzugefügt sind, um einen Übertrager vom Transformatortyp zu bilden, sind sie in Gegenphase verbunden, so daß, wenn die Magnete 18' und 20' so positioniert sind, daß die Mittellinie 28 ihre Längenausdehnung L„ in zwei Hälften teilt, ein Null-Ausgangssignal abgegeben wird. Wenn die Magnete in die eine oder andere Richtung bewegt werden, so ändert sich das Ausgangssignal von seiner Null-Lage und unterliegt einem Phasenwechsel, wenn das Zentrum der Magnete die Mittellinie 28 passiert.

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Die elektrische Steigung (Volt/Zentimeter der Bewegung) des linearen Übertragers gem. der eingangs zitierten US-Patentschrift ist jedoch durch die Länge des Ferritrohres fixiert. Diese Steigung hängt ebenfalls ab von Herstellungstoleranzen und Dimensionen der Rohre und der Magnete. Deshalb ist, wenn die Längentoleranz positiv ist, die Steigung geringer als gewünscht; wenn dagegen die Längentoleranz negativ ist, ist die Steigung höher als für eine genaue Anwendung wünschenswert ist. Diese Steigung wurde bisher durch Verstärkungs- und Kompensationsregelung der zugehörigen Elektronik einjustiert. Ein solches Justierverfahren hat den Nachteil, daß der Übertrager und die Elektronik zusammenbleiben müssen und nicht direkt mit anderen Einheiten austauschbar sind.

Die gewünschte Einjustierung der Steigung des erfindungsgemäßen Übertragertyps wird auf eine Weise erreicht, die die Probleme überwindet, die mit dem bekannten Einjustierverfahren verbunden waren, so daß dieser Übertragertyp kommerziell attraktiver wird.

Bei dem erfindungsgemäß verbesserten Übertrager werden Herstellungstoleranzen so in Rechnung genommen, daß die Längentoleranz des Rohrs positiv ist und die Steigung somit niedriger als der gewünschte Wert liegt, wenn der Übertrager hergestellt wird. Beispielsweise zeigt Fig. 5 eine mit L-bezeichnete Linie, die mit der Längsausdehnung L- in Fig. korrespondiert und die anfängliche elektrische Steigung der Vorrichtung in Werten der Ausgangsspannung in Volt pro Zentimeter Bewegung der Magnete 18 und 20 vor dem Schlitzen darstellt. Die Fertigungstoleranzen werden so gesteuert, daß die Steigung der Linie L- in Fig. 5 immer niedriger ist als die gewünschte Steigung, die in Fig. 5 durch die Linie L.,

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dargestellt ist. Die Linie L, in Fig. 5 entspricht der kürzeren effektiven Längsausdehnung L^ in Fig. 1 nachdem ein Schlitz 30 in das Ende des Rohrs 10 in Richtung der Längsachse 13 eingeschnitten worden ist. Der Schlitz 30 hat eine ausreichende Länge, um die wirksame Länge der Vorrichtung von der Längsausdehnung L. zu der Längsausdehnung L₃ (Fig. 1) zu reduzieren, so daß dadurch die gewünschte Änderung der elektrischen Steigung von der Linie L^ zu der Linie L₃ gem. Fig. 5 erreicht wird. Auf ähnliche Weise können die Rohre 10" und 10'' in Fig. 4 in ihrer Länge elektrisch auf die gewünschten Werte einjustiert werden, so daß die Vorrichtung gem. Fig. 4 akkurat durch die Schlitze 30' und 30'' ausbalanciert wird, die jeweils in die Enden der Rohre 10' und 10' ' in Richtung der Längsachsen 13' und 13" eingeschnitten werden.

Der verbesserte, erfindungsgemäße Übertrager besitzt kommerziell große Vorteile gegenüber dem bekannten Übertrager gem. dem zitierten US-Patent, da die elektrische Steigung einjustiert werden kann, nachdem die Rohre bewickelt und in ihren Gehäusen zusammengefügt sind; weiterhin kann die Einjustierung unabhängig von der zugehörigen Elektronik erfolgen. Bei einigen Anwendungen, z.B. auf dem Fahrzeugsektor, wo eine Austauschbarkeit des Übertragers und der zugehörigen Elektronik von größter Bedeutung ist, sind die Vorteile der Erfindung sehr ausschlaggebend. Die Art und Weise, in der die Schlitze in die Rohre geschnitten werden, ist nicht wichtig, und es können verschiedene Schneidgeräte einschließlich Laserstrahlen, Diamantschneidern und Schleifmaschinen verwendet werden, um die beschriebenen Schlitze herzustellen. Obgleich in den dargestellten Beispielen immer zwei Schlitze an den Enden der magnetischen Rohre gezeigt sind, kann ein übertrager auch im Rahmen der Erfindung so

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ausgebildet sein, daß nur ein einziger Schlitz an einem Ende eines Magnetrohrs eines Übertragers vorgesehen ist.

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Claims

Patentanspruch

Abtasteinrichtung mit einem länglichen Rohr aus magnetisch sättigbarem Material, mindestens einem im wesentlichen parallel zu der Längsachse des Rohres durch dieses hindurchlaufenden Lesedraht und Magnetpolen, die den an sie angrenzenden Teil des Rohres vollständig magnetisch sättigen, jedoch den verbleibenden Teil des Rohres bezüglich der magnetischen Sättigung im wesentlichen nicht beeinflussen, so daß sich das gesamte Volumen des Rohrs, das vollständig magnetisch gesättigt ist, in genauer Weise in Abhängigkeit von der Lage der Magnetpole relativ zum Rohr verändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung dergestalt konstruiert ist, daß alle Toleranzen einen anfänglichen elektrischen Steigungswert (Volt/cm Weg) ergeben, der niedriger ist als der gewünschte Steigungswert, und an einem Ende des Rohrs (10) ein in dessen Längsrichtung verlaufender Schlitz (30) von einer solchen Länge eingeschnitten ist, daß der elektrische Steigungswert auf den gewünschten Wert vergrößert ist.

ORIGSfViAL INSPECTED