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Induktionsfühlereinrichtung zur Bestimmung der
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axialen Lage und/oder Lageänderung eines Bauteils
Induktionsfühlereinrichtung
zur Bestimmung der axialen Lage und/oder Lageänderung eines Bauteils Die Erfindung
bezieht sich auf eine Induktionsfühlereinrichtung zur Bestimmung der axialen Lage
und/oder Lage änderung eines Bauteils, dessen momentane Lage von der momentanen
Stellung einer Maschine oder von dem momentanen Wert eines gemessenen physikalischen
Parameters abhängig ist. Die Erfindung schafft eine derartige Fühlereinrichtung,
die mit hoher Genauigkeit arbeitet und insbesondere zur Signalisierung und Fernmeldung
der axialen Lage und/oder Lageänderung des Bauteils dient.
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Bei technischen Einrichtungen ist häufig das Erfodernis vorhanden,
die Lage bzw. Lageänderungen eines Bauteils in einem gewissen Bereich auch über
größere Entfernungen hin zu übertragen, so daß die Richtung und Größe der änderungen
registriert werden kann. Darüberhinaus ist eine Vielzahl von Fühl- und/oder Meßinstrumenten
bekannt, bei welchem dem momentanen Wert eines abgefühlten und/oder gemessenen physikalischen
Parameters die Lage eines Bauteils entspricht.
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Ein solches Fühl- bzw. Meßinstrument kann beispielsweise ein Schwimmfühler,
ein Rotameter - der für die Bestimmung des Durchsatzes einer strömenden Flüssigkeit
bestimmt ist -, ein Membrandruckfühler und dergleichen sein.
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Diese Fernübertragungsaufgaben können meist auf eine Aufgabe zurückgeführt
werden, die Bewegung eines Konstruktionsbauteiles entlang einer Achse zu bestimmen,
was elektrisch durch eine induktive Kopplung bzw. Kopplungsänderung mit Hilfe bekannter
Meßverfahren gelöst werden kann.
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Bei solchen Einrichtungen wird das sich bewegende Bauteil aus einem
nicht magnetisierbaren Material hergestellt, in welchem ein ferromagnetischer Kern
angeordnet ist. Entlang des Bewegungsbereiches sind zwei oder drei Spulen angeordnet.
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Die eine Spule, die Erregerspule, wird mit Wechselstrom gespeist.
Das Magnetfeld der Erregerspule induziert in den anderen (beiden) Spulen, d.i. in
den Fühlerspulen, eine elektrische Spannung, deren Größe eine Funktion des Kopplungskoeffizienten
ist. Der Kopplungskoeffizient ändert sich durch die Lageänderung des ferromagnetischen
Kernes. Bei einer Lösung, in welcher zwei Spulen vorhanden sind, wird die in der
Fühlerspule induzierte Spannungsgröße gemessen, und in denjenigen Schaltungen, bei
welchen drei Spulen vorhanden sind, wird die mittlere Spule als Erregerspule verwendet.
Die beiden seitlichen Fühlerspulen sind in eine Brückenschaltung oder in eine andere,
an sich bekannte, phasenempfindliche Gleichrichterschaltung eingeschaltet.
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Ein großer Nachteil dieser zwei- oder dreispuligen Lagefühlereinrichtungen
liegt darin, daß der Zusammenhang zwischen der Bewegung des Geberelementes und der
elektrischen Spannung (bzw. der Spannungsänderung) nicht linear ist.
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Diese Verhältnisse sind noch dadurch weiter kompliziert, daß für gewisse
Anwendungsfälle von vorneherein bereits zwischen der Anderung des-gemessenen und/oder
abgefühlten physikalischen Parameters und aer Verlagerung des sich bewegenden
Geberelementes
ein linearer Zusammenhang nicht vorhanden ist. In diesem Fall kann nämlich für die
Messung zwischen der elektrischen Spannung und dem eigentlich abgetasteten physikalischen
Parameter ein Zusammenhang Y = f g(x)1 aufgestellt werden, der eine mittelbare Funktion
von y = f(u) und u = g(x) darstellt.
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Diese Funktionen sind jeweils auch einzeln nicht linear, so daß die
ganze Abtastkurve der Fühler- und/oder Meßeinrichtung nur experimentell aufgenommen
werden kann.
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Außerdem kann diese Kurve überhaupt nicht oder nur in kleinem Maße
beeinflußt werden. Durch die Krümmung dieser Kurve wird aber jedenfalls die Genauigkeit
der Abtastung und/oder der Messung bzw. der Fernübertragung vermindert.
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Durch die Erfindung werden die oben erwähnten Nachteile gemindert.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung weist ein nicht magnetisierbares
Geberelement mit einem ferromagnetischen Kern auf, der in dem Bewegungsbereich des
abzutastenden Bauteils mit einem solchen Spulensystem umgeben ist, das sicherstellt,
daß einer sehr kleinen Lageänderung des Geberelementes ein stets proportionales
hohes elektrisches Ausgangssignal entspricht, wobei dieses Spulensystem seinerseits
von einem derartigen Spulensystem umgeben ist, welches die Art der Abtast- oder
Meßkurve beeinflussesn kann.
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Das verwendete Induktionsspulensystem enthält zwei Spulen, die jeweils
in gleich lange, nicht aber mit gleicher Windungszahl ausgestattete Spulenabschnitte
unterteilt und derart angeordnet sind, daß auf jeden Spulenabschnitt der Erregerspule
jeweils ein Spulenabschnitt der Fühlerspule folgt. Sowohl bei der Erregerspule wie
auch bei der Fühlerspule sind die Windungszahlen der einzelnen Spulenabschnitte
derart, daß die Windungszahlen eine mathematisch definierbare, sich monoton erhöhende
Reihe bilden. Die einzelnen Spulenabschnitte der beiden Spulen sind jedoch derart
angeordnet, daß die Richtung, in welcher sich die Windungszahl der Spulenabschnitte
der Erregerspule erhöht, stets entgegengesetzt ist zu der Richtung, in welcher sich
die Windungszahl der Spulenabschnitte der Fühlerspule erhöht. Dieses Spulensystem
ist von einer dritten Spule umgeben, die ebenfalls in mehrere Spulenabschnitte unterteilt
ist, wobei jeweils ein Spulenabschnitt einem Spulenabschnitt der Erreger spule bzw.
einem Spulenabschnitt der Fühlerspule entspricht. Die verschiedenen Spulenabschnitte
der einzelnen Spulen werden miteinander in Reihe geschaltet, wobei die Spulenabschnitte
der äußeren dritten, sogenannten Korrektur- oder Kompensationsspule am Anfang und
Ende der Reihenschaltung kurzgeschlossen sind. Die Windungszahl der einzelnen Spulenabschnitte
der kurzgeschlossenen Kompensationsspule ist durch das bekannte Biot-Savartsche
Gesetz gegeben.
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Die Erfindung wird anhand zweier beispielhafter Ausführungsformen
erläutert, die schematisch aus der Zeichnung ersichtlich sind. In der Zeichnung
zeigt: Fig. 1 eine Fühlereinrichtung zur Abtastung einer horizontal verlaufenden
Lageänderung im Längsschnitt und in Stirnansicht und
Fig. 2 eine
Ausführungsform im Längsschnitt, welche zur Fernübertragung des Meßwertes eines
Rotameters geeignet ist.
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Die beiden aus der Zeichnung ersichtlichen Ausführungsformen werden
anhand von zwei Beispielen näher erläutert.
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Bei der Fühlereinrichtung gemäß Fig. 1, die zur Abtastung von horizontal
verlaufenden Lageänderungen dient, wird die Bewegung eines sich entlang der Bahn
1 unter dem Antrieb eines Verbindungsgliedes 2 verlagernden Bauteiles 3 auf ein
ferromagnetisches Material 4 übertragen, das als Kern in dem Bauteil 3 vorhanden
ist. Das Bauteil 3 selbst ist aus einem nicht magnetisierbaren Material hergestellt.
Die Bahn 1 ist von einem Spulensystem umgeben, welches aus abwechselnd aufeinanderfolgenden
Spulenabschnitten der Erregerspule 5 und der Fühlerspule 7 besteht. Die Spulenabschnitte
der jeweils aus n-Abschnitte bestehenden Spulen folgen derart aufeinander, daß an
den 1-ten Spulenabschnitt der Erregerspule 5 der n-te Abschnitt der Fühlerspule
7, an diesen der 2-te Abschnitt der Erregerspule 5, an diesen der(n-1)-te Abschnitt
der Fühlerspule 7 usw. anschließen. Die Windungszahlen der Spulenab schnitte der
Erregerspule 5 können beispielsweise entsprechend der geometrischen Reihe mit a1
= 10; q = 1,5 gewählt sein: 10; 15; 22,5; 33,7; 50 ..... usw., während die Windungszahlen
der Spulenabschnitte der Fühler spule 7 entsprechend der geometrischen Reihe mit
al = 20, q = 1,2 gewählt sind; 20; 24; 28,8; 34,5; 41,5; 50 usw. Die einzelnen Spulenabschnitteder
Erregerspule 5 sind miteinander in Reihe geschaltet und deren beiden Anschlüsse
8 sind aus dem Spulensystem herausgeführt. Die Spulenabschnitte der Fühlerspule
7 sind ebenfalls in Reihe geschaltet, deren beiden Anschlüsse 9 aus dem Spulensystem
herausgeführt sind.
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Das Spulensystem ist von der Kompensationsspule 6 umgebend die entsprechend
der Folge 5/1; 7/n; 5/2; 7/n-1 ... der Spulenabschnitte der Erregerspule und der
Fühlerspule in Spulenabschnitte 6/1; 6/2; 6/3 ... unterteilt ist, welche jedoch
miteinander in Reihe geschaltet sind und über den Anschluß 10 und einen anderen
Anschluß, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist, miteinander kurzgeschlossen
sind.
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Bei einer Ausführungsform, bei welcher n = 5 ist, d.i. wenn die Erregerspule
und die Fühlerspule jeweils in fünf Spulenabschnitte unterteilt sind, wird in der
in Fig. 1 an der linken Seite befindlichen Endlage des Meßgeberelementes -3, welches
den ferromagnetischen Kern 4 enthält, eine Kopplung zwischen der Erregerspule 5
und der Fühlerspule 7 an einer Stelle erreicht, wo sich die Windungszahlen der Spulenabschnitte
5/1 und 7/n entsprechend dem obigen Beispiel wie 10:41,5 verhalten, während das
entsprechende Windungszahlver hältnis in der anderen Endlage an der rechten Seite
in Fig 1 50:20 ist. Die Ubersetzungszahl hat sich hierbei somit auf das 10-fache
geändert.
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Das Windungszahlverhältnis kann durch die Anzahl der Spulenab schnitte
und durch eine größere Steigung der Reihe noch erhöht werden.
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Die Erregerspule 5 und die Fühlerspule 7 sind mit einem an sich bekannten
phasenempfindlichen Gleichrichteroder mit einem anderen Gerät verbunden, so z.B.
mit einem Gerät nach der HU-PS 164 298. Die Ausgangsspannung ist zu dem Abstand
des den ferromagnetischen Kern 4 enthaltenden Meßgeberelementes 3 von dessen in
Fig. 1 linken Endlage proportional.
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Die Kurvenform kann durch geeignete Wahl der Windungszahlen der Spulenabschnitte
der Erregerspule 5 und der Fühlerspule
7 oder durch geeignete Wahl
des Quotienten der geometrischen Reihe und außerdem durch geeignete Wahl der Windungszahlen
der Spulenabschnitte der Kompensationsspule 6 in weiten Grenzen beeinflußt werden,
so daß eine Gerade mit annehmbarer Genauigkeit angenähert sein kann. Die Kompensationsspule
6 bildet nämlich unter dem Einflußdes in ihr zustande kommenden Stromes ein magnetisches
Feld mit entgegengesetzter Polarität, durch welches die Größe der in der Fühlerspule
7 induzierten Spannung und daher die Form der Meßkurve beeinflußt werden.
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Die aus Fig. 2 ersichtliche Einrichtung dient zur Fernübertragung
der strömenden Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit mit Hilfe eines Rotameters, wobei
im Rotameterrohr 1' ein Schwimmer 3' angeordnet ist. Der Schwimmer 3' ist aus einem
nicht magnetisierbaren Material hergestellt, welches einen ferromagnetischen Kern
4' enthält. Die Auslegung der Spulen und ihre Anordnung entsprechen denjenigen aus
Fig. 1. Uber Fig.1 hinaus sind aus Fig. 2 jeweils beide Anschlüsse. 8, 9, 10 ersichtlich.
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Falls in dem Rotameter 2' eine Flüssigkeitsströmung in Pfeilrichtung
nicht vorhanden ist, nimmt der Schwimmer 3' seine tiefste Lage ein und verursacht
eine magnetische Kopplang zwischen den Spulenabschnitten 5/1 und 7/n.
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Wenn in dem Rotameter die Strömung einsetzt, steigt der Schwimmer
3' entsprechend auf und wird durch die Einwirkung des strömenden Mediums aufgrund
an seiner Oberfläche ausgebildeter (in Fig. 2 nicht gezeigten) schräger Kanälen
in Drehbewegung versetzt. Das Maß, um welches der Schwimmer aufsteigt, ist nach
dem an sich bekannten Zusammenhang h = f(Q)
von dem in der Zeiteinheit
vorbeiströmenden Strömungsvolumen abhängig, das seinerseits von der Konizität des
Rohres abhängig ist. In Abhängigkeit von dem AdstiegsmaB h (d.h. von dem durchströmenden
Volumen) wird von dem Schwimmer 3' (und von dem in diesem angeordneten ferromagnetischen
Kern 4') eine Koppelung zwischen den Spulenabschnitten 5/2 und 7/n, den Spulenabschnitten
5/2 und 7/n-1, zwischen den Spulenabschnitten 5/3 und 7/n-1 bzw. 5/3 und 7/n-2 eine
Kopplung erreicht, durch welche das Ubersetzungsverhältnis entspre-.
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chend Beipsiel 1 erhöht wird. Die Ausgangsspannung des an die elektrischen
Ausgänge 8 und 9 geschalteten phasenempfindlichen Gleichrichters wird dadurch mit
dem durchströmenden Volumen in Zusammenhang gebracht. Die Form ir Meßkurve U = f(Q)
kann einerseits durch geeignete Wahl des Zusammenhanges zwischen den entsprechenden
Spulenabschnitten der Erreger spule 5 und der Fühlerspule 7 bzw. der Auslegung dieser
Spulenabschnitte, und andererseits durch geeignete Wahl bzw. Auslegung der Spulenabschnitte
der Kompensationsspule 6 vollständig bis zu einer linearen Funktion korrigiert werden.
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Falls das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Gleichrichters nicht
an ein Meßinstrument gegeben wird, kann die Einrichtung durch eine Registriereinheit
oder einen digitalen Schreiber ergänzt werden.
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Falls in der Ubertragungskette hinter dem phasenempfindlichen Gleichrichter
eine Integrierstufe verwendet wird, kann die Einrichtung z.B. im Falle eines Rotameters
zur Messung der gesamten hindurchgeströmten Flüssigkeitsmenge oder aber auch zur
Bestimmung eines Integralwertes und/oder zur Registrierung einer sich beliebig ändernden
Menge pro Zeiteinheit dienen. Falls ein differenzierendes Glied angel
wendet
wird, kann die Einrichtung zur Signalisierung und/oder Messung von sich verändernden
Vorgängen verwendet werden.
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Darüberhinaus ist die Anordnung zur Signalisierung und/oder Messung
von durch Wärmedehnung verursachten Maßänderungen von Konstruktionselementen, zur
Fernübertragung von durch hohe Belastungen verursachten Formänderungen und für ähnliche
Aufgaben geeignet, bei denen Lageänderungen entlang einer geraden Achse bestimmt
werden sollen. Die Genauigkeit der Fühlereinrichtung kann praktisch auf ein gewünschtes
Maß durch entsprechende Bemessung der Spulen eingestellt werden.
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