DE3008581C2

DE3008581C2 -

Info

Publication number: DE3008581C2
Application number: DE19803008581
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dipl.-Ing. Dr. 6800 Heidelberg De Gevatter
Original assignee: Doduco and Co Dr Eugen Duerrwaechter 7530 Pforzheim De GmbH
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1980-03-06
Filing date: 1980-03-06
Publication date: 1989-04-27
Also published as: GB2071336A; GB2071336B; FR2477702B3; DE3008581A1; FR2477702A1

Description

Die Erfindung geht von einem induktiven Weggeber gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 1 aus. Unter einer Erregerwicklung wird eine Wicklung verstanden, der ein periodisches Spannungssignal gleich bleibender Amplitude eingespeist wird. Dieses Spannungssignal wird verwendet, um in einer zweiten Wicklung - der Sensorwicklung - ein elektrisches Anwortsignal hervorzurufen, wobei die Kopplung zwischen den beiden Wicklungen eine vorgegebene Abhängigkeit von der zu messenden Wegstrecke aufweist und die Art des in der Sensorwicklung erzeugten Antwortsignals folglich von der Wegstrecke, die ein Probe körper zurückgelegt hat, bzw. von der aktuellen Lage eines solchen Probekörpers abhängt.

Es ist bekannt, bei einem induktiven Weggeber die transformatorische Kopplung zwischen der Erregerwicklung (Primärwicklung des Trans formators) und der Sensorwicklung (Sekundärwicklung des Trans formators) wegabhängig zu gestalten, indem die Lage des ferromagnetischen Kerns, der die beiden Wicklungen koppelt, geändert wird, oder indem durch Heranführen oder Entfernen ferromagnetischer Teile an die im übrigen unveränderliche Anordung der Wicklungen und eines sie koppelnden Kerns die transformatorische Kopplung verstärkt oder geschwächt wird. Der Probekörper, dessen Bewegung oder Lage über wacht werden soll, kann selbst der ferromagnetische Kern oder ein gesondertes, auf die Wicklungen einwirkendes ferromagnetisches Teil sein, oder kann damit über Getriebeelemente gekoppelt sein, so daß jedenfalls die Lageänderung des Probekörpers ursächlich mit einer Änderung der Kopplung zwischen den beiden Wicklungen verbunden ist.

Bei den bekannten induktiven Weggebern wird der Erregerwicklung ein Wechselstrom mit konstanter Amplitude eingespeist und die Amplitude des in der Sensorwicklung als Antwort erzeugten Wechselspannungssignals ist ein Maß für die Lage bzw. Lage änderung des überwachten Probekörpers. Das Antwortsignal ist also eine amplitudenmodulierte Wechselspannung. Deshalb muß die der Sensorspule nachgeschaltete Auswerteschaltung sehr genau angepaßt sein, damit die Amplitude des Antwortsignals meßwertgenau übertragen und nicht verfälscht wird.

Die Erfindung bezweckt demgegenüber die Schaffung eines induktiven Weggebers, welcher ein Antwortsignal erzeugt, welches in einfacher Weise meßwertgenau ausgewertet werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Weggeber mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter ansprüche.

Als bistabile magnetische Elemente, auch als bistabile magnetische Schaltkerne bezeichnet, eignen sich vor allem sogenannte Wiegand- Drähte, deren Aufbau und Herstellung in der DE-OS 21 43 326 beschrieben sind. Wiegand-Drähte sind in ihrer Zusammensetzung homogene, ferromagnetische Drähte (z. B. aus einer Legierung von Eisen und Nickel, vorzugsweise 48% Eisen und 52% Nickel, oder aus einer Legierung von Eisen und Kobalt, oder aus einer Legierung von Eisen mit Kobalt und Nickel, oder aus einer Legierung von Kobalt mit Eisen und Vanadium, vorzugsweise 52% Kobalt, 38% Eisen und 10% Vanadium), die infolge einer besonderen mechanischen und thermischen Behandlung einen weich magnetischen Kern und einen hartmagnetischen Mantel besitzen, d. h. der Mantel besitzt eine höhere Koerzitivkraft als der Kern. Wiegand- Drähte haben typisch eine Länge von 5 bis 50 mm, vorzugsweise von 20 bis 30 mm. Bringt man einen Wiegand-Draht, bei dem die Magnetisie rungsrichtung des weichmagnetischen Kerns mit der Magnetisierungs richtung des hartmagnetischen Mantels übereinstimmt, in ein äußeres Magnetfeld, dessen Richtung mit der Richtung der Drahtachse überein stimmt, der Magnetisierungsrichtung des Wiegand-Drahtes aber entgegen gesetzt ist, dann wird bei Überschreiten einer Feldstärke von ca. 16 A/cm die Magnetisierungsrichtung des weichen Kerns des Wiegand- Drahtes umgekehrt. Diese Umkehrung wird auch als Rückstellung be zeichnet. Bei erneuter Richtungsumkehr des äußeren Magnetfeldes kehrt sich die Magnetisierungsrichtung des Kerns bei Überschreiten einer kritischen Feldstärke des äußeren Magnetfeldes erneut um, so daß der Kern und der Mantel wieder parallel magnetisiert sind. Diese Umkehrung der Magnetisierungsrichtung erfolgt sehr rasch und geht mit einer ent sprechend starken Änderung des magnetischen Kraftflusses pro Zeit einheit einher (Wiegand-Effekt). Diese Änderung des Kraftflusses kann in einer Induktionsspule einen kurzen und sehr hohen (ja nach Windungszahl und Belastungswiderstand der Induktionsspule bis ca. 12 Volt) Spannungsimpuls induzieren (Wiegand-Impuls).

Auch beim Zurückstellen des Kerns wird ein Impuls in einer Induktions spule erzeugt, allerdings mit wesentlich geringerer Amplitude und umgekehrtem Vorzeichen als im Falle des Umklappens von der anti parallelen in die parallele Magnetisierungsrichtung.

Wählt man als äußeres Magnetfeld ein Wechselfeld, welches in der Lage ist, zuerst den Kern und danach auch den Mantel umzumagnetisieren und jeweils bis in die magnetische Sättigung zu bringen, so treten Wiegand- Impulse infolge des Umklappens der Magnetisierungsrichtung des weich magnetischen Kerns abwechselnd mit positiver und negativer Polarität auf und man spricht von symmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man Feldstärken von ca. -(80 bis 120 A/cm) bis +(80 bis 120 A/cm). Das Ummagnetisieren des Mantels erfolgt ebenfalls sprung haft und führt ebenfalls zu einem Impuls in der Induktionsspule, je doch ist der Impuls wesentlich kleiner als der beim Umklappen des Kerns induzierte Impuls und wird zumeist nicht ausgewertet.

Wählt man jedoch als äußeres Magnetfeld ein solches, welches nur in der Lage ist, den weichen Kern, nicht aber den harten Mantel in seiner Magnetisierungsrichtung umzukehren, dann treten die hohen Wiegand-Impulse nur mit gleichbleibender Polarität auf und man spricht von asymmetrischer Erregung des Wiegand-Drahtes. Dazu benötigt man in der einen Richtung eine Feldstärke von wenigstens 16 A/cm (für die Rückstellung des Wiegand- Drahtes) und in der um gekehrten Richtung eine Feldstärke von ca. 80 bis 120 A/cm.

Charakteristisch für den Wiegand-Effekt ist, daß die durch ihn erzeugten Impulse in Amplitude und Breite weitgehend unabhängig sind von der Änderungsgeschwindigkeit des äußeren Magnetfeldes und ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen.

Für die Erfindung geeignet sind auch anders aufgebaute bistabile magnetische Elemente, wenn diese zwei magnetisch miteinander ge koppelte Bereiche von unterschiedlicher magnetischer Härte (Koerzitivkraft) besitzen und in ähnlicher Weise wie Wiegand- Drähte durch induziertes, rasch erfolgendes Umklappen des weich magnetischen Bereichs zur Impulserzeugung verwendet werden können. So ist zum Beispiel aus der DE-PS 25 14 131 ein bistabiler magnetischer Schaltkern in Gestalt eines Drahtes bekannt, der aus einem hart magnetischen Kern (z. B. Nickel-Kobalt), aus einer darauf abge schiedenen elektrisch leitenden Zwischenschicht (z. B. aus Kupfer) und aus einer hierauf abgeschieden weichmagnetischen Schicht (z. B. aus Nickel-Eisen) besteht. Eine andere Variante verwendet zusätzlich einen Kern aus einem magnetisch nicht leitenden metal lischen Innenleiter (z. B. aus Beryllium-Kupfer), auf den dann die hartmagnetische Schicht, darauf die Zwischenschicht und darauf die weichmagnetische Schicht abgeschieden werden. Dieser bekannte bistabile magnetische Schaltkern erzeugt allerdings geringere Schaltimpulse als ein Wiegand-Draht.

Am Ort des BME überlagern sich das zeitlich unveränderliche Magnetfeld und das von der Erregerwicklung erzeugte periodische Magnetfeld zu einem periodischen magnetischen Wechselfeld, welches das BME periodisch zum Wechsel seiner magnetischen Polarität, d. h. zur Umkehrung der Magnetisierungsrichtung seines weichmagnetischen und ggfs. seines hartmagnetischen Bereichs veranlaßt. Der periodische Wechsel der magnetischen Polarität des BME vollzieht sich sprunghaft und führt zur Er zeugung einer Folge von charakteristischen Impulsen in der Sensorspule. Der Zeitpunkt der Auslösung dieser Impulse ist abhängig von der Wechselwirkung des zeitlich unveränderlichen mit dem periodischen Magnetfeld, da zum Auslösen der Impulse das resultierende magnetische Wechselfeld am Ort des BME in beiden Richtungen von den Eigenschaften des BME vorgegebene Schwellen werte überschreiten muß. Folglich ändert sich dann, wenn sich die Stärke des resultierenden magnetischen Wechselfeldes ändert, auch die Phasenlage der erzeugten Impulse in bezug auf die Phase des erregenden periodischen Spannungssignals. Mithin ist das Antwort signal des erfindungsgemäßen Weggebers eine phasenmodulierte Folge von Impulsen mit gleichbleibender Impulshöhe, die meßwertgenau in einer nachgeschalteten Auswerteschaltung sowohl digital als auch analog weiterverarbeitet werden kann.

Bei vorgegebener Amplitude des von der Erregerwicklung erzeugten zeitlich periodischen Magnetfelds am Ort des BME ist der Arbeitsbereich des Weggebers räumlich beschränkt auf Werte der Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds, die um wenigstens die zur Rückstellung des BME (bei asymmetrischer Erregung) bzw. die zur Ummagnetisierung des hartmagnetischen Bereichs des BME (bei symmetrischer Erregung) erforderliche Feld stärke kleiner ist als die Amplitude des von der Erregerwicklung erzeugten Magnetfelds, weil nur dann das resultierende Magnet feld in der Lage ist, nach jedem Vorzeichenwechsel das BME magnetisch umzupolen. Unter Rückstellung des BME wird dabei die Umkehrung der Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Bereichs von der - bezogen auf die Magetisierungsrichtung des hart magnetischen Bereichs - parallelen in die antiparallele Orientierung verstanden.

Die Auswertung des Antwortsignals ist naturgemäß dann besonders einfach, wenn zwischen der Phasenlage der Antwortimpulse und der Lageänderung des Probekörpers möglichst weitgehend ein linearer Zusammenhang besteht. Deshalb ist es von Vorteil, wenn der Gradient des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds möglichst weitgehend konstant ist (Anspruch 2) und wenn das der Erregerwicklung zuge führte Spannungssignal in jeder Periode möglichst weitgehend einen linearen zeitlichen Spannungsverlauf besitzt (Ansprüche 3 und 4). Mittel zur Linearisierung des räumlichen Verlaufs des zeitlich un veränderlichen Magnetfeldes sind Stand der Technik.

Das zeitlich unveränderliche Magnetfeld wird am besten durch Dauermagnete (Anspruch 5) aufgebaut, obwohl grundsätzlich auch Elektromagnete dazu verwendet werden können.

Zur Erzielung eines möglichst großen Arbeitsbereiches des Weg gebers und zur Erleichterung der Linearisierung des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds wird ein solches zeitlich unver änderliches Magnetfeld bevorzugt, welches einen Nulldurchgang (Vorzeichenwechsel) der magnetischen Feldstärke besitzt, wobei dieser Nulldurchgang der Feldstärke zweckmäßigerweise in der Mitte des räumlichen Arbeitsbereiches des Weggebers liegen sollte (Anspruch 6). Dieser Vorteil läßt sich jedoch nur dann voll ausnutzen, wenn zugleich das periodische Magnetfeld der Erregerwicklung ein Wechselfeld ist, wobei zweckmäßigerweise sowohl das zeitliche un veränderliche Magnetfeld als auch das magnetische Wechselfeld be züglich ihres jeweiligen Nulldurchgangs symmetrisch aufgebaut sind (Anspruch 7).

Auch hier gilt, daß der räumliche Arbeitsbereich des Weggebers auf Werte der Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds beschränkt ist, die soviel kleiner sind als die Amplitude des magnetischen Wechselfeldes, daß noch nach jedem Vorzeichenwechsel des resultierenden Magnetfeldes eine Umkehrung der Magnetisierungs richtung erfolgen kann. Da somit die Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds ohnehin einen gewissen Abstand von der Amplitude des magnetischen Wechselfeldes einhalten muß, kann als erregendes Spannungssignal zum Aufbau des magnetischen Wechselfeldes mit gutem Erfolg eine sinusförmige Wechselspannung (Anspruch 8) verwendet werden, weil diese in einem wesentlichen Bereich beidseits der Nulldurchgänge bereits weitgehend zeitlich linear ist. An den Rändern des Arbeitsbereiches, d. h. bei Aus nutzung des Magnetfeldes der Erregerwicklung in der Nähe der zeit lichen Scheitelwerte der magnetischen Feldstärke kann am Antwort signal auf schaltungstechnischem Wege eine Linearitätskorrektur angebracht werden. Diese Linearitätskorrektur kann entfallen, wenn man zur Speisung der Erregerwicklung von vornherein ein sägezahn förmiges Spannungssignal gemäß Anspruch 9 verwendet.

Der erfindungsgemäße Weggeber kann mit asymmetrischer Erregung des BME betrieben werden, und zwar insbesondere dann, wenn das von der Erregerwicklung erzeugte, zeitlich periodische Magnetfeld ein pulsierendes Gleichfeld ist, dem das zeitlich unveränderliche Magnetfeld so entgegenwirkt, daß das resultierende Magnetfeld ein Wechselfeld ist. Bei vorgegebener Amplitude des pulsierenden Gleich feldes ist der Arbeitsbereich des Weggebers eine Funktion der Feld stärke des zeitlich unveränderlichen Magnetfeldes am Ort des BME. Die Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Feldes muß mindestens so hoch sein, daß das resultierende Wechselfeld am Ort des BME in der einen (negativen) Richtung wenigstens so stark ist, daß es das BME zurückstellen kann, d. h., daß es in der Lage ist, den weich magnetischen Bereich des BME aus der parallelen in die zur Magne tisierungsrichtung des hartmagnetischen Bereichs antiparallele Magnetisierungsrichtung zu überführen, und die Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Feldes darf am Ort des BME nur so hoch werden, daß die resultierende Feldstärke noch ausreicht, um das BME von der antiparallelen Magnetisierung wieder in die parallele Magnetisierung seiner Bereiche zu überführen, wobei dann ein hoher, charakteristischer Impuls in der Sensorwicklung erzeugt wird. Bei Verwendung eines Wiegand-Drahtes als BME benötigt man zur Rück stellung typisch eine resultierende Feldstärke von ca. -16 A/cm, während man für das Ummagnetisieren in die parallele Orientierung bis in den Bereich der Sättigung hinein typisch eine resultierende Feldstärke von ca. 80 bis 120 A/cm benötigt. Wird das angegebene Minimum der Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds un terschritten, kann das BME nicht mehr magnetisch zurückgestellt werden. Überschreitet die Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Feldes das angegebene Maximum, kann trotz Rückstellung das BME nicht mehr magnetisch in die parallele Orientierung umgepolt werden; in beiden Fällen bleiben die charakteristischen Impulse aus. Wenn je doch die Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Magnetfeldes über das angegebene Maximum hinaus anwächst, kann es dazu kommen, daß das resultierende Magnetfeld in umgekehrter Richtung so stark wird, daß der magnetisch harte Bereich des BME ummagnetisiert wird und dann erneut eine asymmetrische Erregung des BME erfolgt, die allerdings zu Impulsen umgekehrter Polarität in der Sensorwicklung führt.

Vorzugsweise soll der Weggeber jedoch so betrieben werden, daß das BME symmetrisch erregt wird, wozu sich die Weggeber gemäß den Ansprüchen 6 bis 9 besonders gut eignen. Bei symmetrischer Erregung und vorgegebener positiver und negativer Amplitude des magnetischen Wechselfeldes ist dann der Arbeitsbereich des Weg gebers dadurch begrenzt, daß am Ort des BME die Feldstärkeamplituden des resultierenden magnetischen Wechselfeldes in beiden Richtungen so groß sind, daß sie ausreichen, um nicht nur den weichmagneti schen, sondern auch den hartmagnetischen Bereich umzumagnetisieren. Wird diese Bedingung eingehalten, so erhält man in der Sensor wicklung eine Impulsfolge mit alternierenden Vorzeichen, wobei die Lage der Impulse in bezug auf die Phase des erregenden Spannungs signals ein Maß für die Lage bzw. Lageänderung des überwachten Probekörpers ist.

Wird die angegebene Bedingung nicht eingehalten, sondern das BME in einen Bereich höherer Feldstärke des zeitlich unveränderlichen Magnetfeldes versetzt, dann geht die symmetrische Erregung des BME zunächst in eine asymmetrische Erregung des BME über mit der Folge, daß in der Sensorwicklung die Impulse einer Polarität ausbleiben, wobei die Polarität der noch erscheinenden Impulse davon abhängt, in welcher Richtung der Arbeitsbereich der symmetrischen Erregung überschritten wird.

Zweckmäßigerweise wird man den Arbeitsbereich der symmetrischen Erregung des BME linearisieren. Bei Überschreiten der Schwelle von der symmetrischen zur asymmetrischen Erregung kann die an die Sensorwicklung anzuschließende Auswerteschaltung mit Vorteil so ausgebildet sein, daß sie ein Warnsignal abgibt, welches anzeigt, daß und in welcher Richtung der lineare Arbeitsbereich des Weggebers überschritten wurde (Anspruch 10).

Ob das BME ruht und das zeitlich unveränderliche Magnetfeld ver schoben wird oder umgekehrt, ist für das Funktionsprinzip des Weg gebers ohne Bedeutung; beides ist möglich. Die Bewegung des zeitlich unveränderlichen Magnetfeldes kann durch die Bewegung der erzeugenden Magnete geschehen, sie kann aber auch bei ortsfesten Magneten durch die Bewegung ferromagnetischer Leitelemente erfolgen.

Die Erregerwicklung und die Sensorwicklung können grundsätzlich neben dem BME angeordnet sein, wenn sich dadurch eine magnetische Kopplung mit dem BME in hinreichendem Grade bewirken läßt. Vorzugs weise sind aber sowohl die Erregerwicklung als auch die Sensor wicklung unmittelbar um das BME herumgelegt. Zur Erzielung einer guten Signalausbeute ist es ferner von Vorteil, als BME einen Wiegand-Draht zu verwenden (Anspruch 11).

Ferner ist es zweckmäßig, daß die beiden Magnetfelder, die einander überlagert werden, am Ort des BME einen parallelen Feldlinien verlauf aufweisen (Anspruch 12), vorzugsweise parallel zur Längs achse des BME.

Weggeber setzen üblicherweise lineare Bewegungen bzw. linear er folgte Lageänderungen in ein Ausgangssignal um. Im vorliegenden Fall ist es auch möglich, den Weggeber als Drehwinkelgeber zu ver wenden. Voraussetzung dafür ist, daß über einen entsprechenden azimutalen Winkelbereich das zeitlich unveränderliche Magnetfeld einen Gradienten der Feldstärke in azimutaler Richtung besitzt, der - entsprechend dem Falle eines linearen Weggebers - vorzugsweise über den entsprechenden azimutalen Winkelbereich (Arbeitsbereich) konstant sein und mit einem Nulldurchgang der Feldstärke verbunden sein sollte.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten, sehr schematischen Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungs gemäßen Weggebers,

Fig. 2 zeigt den Verlauf eines für den Weggeber geeigneten, zeitlich nicht veränderlichen Magnetfelds,

Fig. 3 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Phasenlage der Antwort-Impulse bei Erregung der Erregerwicklung mit einer sinusförmigen Wechselspannung und Anordnung des Wiegand-Drahtes im Nulldurchgang des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds,

Fig. 4 ist eine Darstellung entsprechend Fig. 3 bei Ver schiebung des Wiegand-Drahtes aus dem Nulldurchgang des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds heraus, und die

Fig. 5 und 6 sind Darstellungen entsprechend Fig. 3 und 4, jedoch bei Verwendung einer sägezahnförmigen Wechsel spannung zur Erregung der Erregerwicklung.

Der in Fig. 1 dargestellte Weggeber besteht aus einem Wiegand-Draht 1 als bistabiles magnetisches Element, aus einer an eine Wechsel spannungsquelle 4 angeschlossenen Erregerwicklung 3, welche ebenso wie eine Sensorwicklung 2 den Wiegand-Draht unmittelbar umgibt, aus einer Auswerteschaltung 8, welche der Sensorwicklung 2 nachge schaltet ist und die Art und Phasenlage der in der Sensorwicklung 2 entstehenden Spannungsimpulse bestimmt, sowie aus zwei Stab magneten 6 und 7, die beidseits parallel zum Wiegand-Draht 1 ver laufen und zueinander antiparallele Magnetisierungsrichtungen auf weisen, so daß das magnetische Feld 5, welches sich zwischen diesen beiden Magneten 6 und 7 aufbaut, einen Nulldurchgang aufweist, d. h. es findet eine Richtungsumkehr des magnetischen Kraftflusses statt. Unter der Voraussetzung, daß die beiden Magnete 6 und 7 gleich stark sind und das Magnetfeld 5 nicht durch äußere Einflüsse verformt wird, befindet sich dieser Nulldurchgang der magnetischen Feldstärke in der Mitte zwischen den beiden Magneten 6 und 7. Der Feldstärkeverlauf H _M(s) eines solchen Magnetfeldes ist in Fig. 2 dargestellt, wobei s den Weg zwischen den zwei Magneten 6 und 7 längs einer Abstandsgeraden bezeichnet.

Wird die Erregerwicklung 3 mit einer sinusförmigen Wechselspannung gespeist, so erzeugt die Erregerwicklung 3 ein zeitlich annähernd sinusförmiges Magnetfeld, welches am Ort des Wiegand-Drahtes nach der Formel

H _WS = _WS · sin ω t (I)

schwankt. Darin ist H _WS die magnetische Feldstärke des Wechselfeldes am Ort des Wiegand-Drahtes 1, _WS seine Amplitude, t die Zeit und ω die Kreisfrequenz der erregenden Wechselspannung. Ist am Ort des Wiegand-Drahtes 1 nur das magnetische Wechselfeld H _WS wirksam und ist dessen Amplitude größer als die zur symmetrischen Ummagnetisierung des Wiegand-Drahtes 1 erforderliche Feldstärke H _S (Fig. 3):

_WS < H _S (II)

(wobei H _S bei Wiegand-Drähten im Bereich von ±(80 bis 120) A/cm liegt), dann werden bei einer bestimmten Feldstärke H _p, die kleiner ist als die Feldstärke H _S, die großen charakteristischen Wiegand- Impulse 9 erzeugt, die in Fig. 3 angedeutet sind. Bei der Feldstärke H _p orientiert sich die Magnetisierung des weichmagnetischen Kerns des Wiegand-Drahtes 1 von der antiparallelen in die parallele Orientie rung um. Bei der Feldstärke H _S wird dann die Magnetisierungsrichtung des hartmagnetischen Mantels des Wiegand-Drahtes umgekehrt. Auch dabei tritt ein Impuls in der Sensorwicklung 2 auf, der jedoch viel kleiner ist als der bei H _p auftretende Impulse 9 und im folgenden nicht weiter beachtet wird. Er kann durch eine einfache Diskriminator schaltung unterdrückt werden.

Die Wiegand-Impulse 9 treten in Abwesenheit des Feldes 5 (H _M=0) in den Phasenlagen l t₁ und ω t₁+π auf. Dies entspricht dem Fall, daß der Wiegand-Draht 1 genau im Nulldurchgang des Magnetfeldes 5 (H _M=0) liegt.

Wird nun der Wiegand-Draht 1 im Magnetfeld 5 in Richtung des Pfeiles 10 auf einen der Magneten 6 oder 7 zu verschoben, so überlagert sich dem Wechselfeld

H _WS = _WS · sin ω t

ein Gleichfeld H _m(s), wodurch - je nachdem ob der Wiegand-Draht zum einen oder zum anderen der Magneten 6 bzw. 7 verschoben wird - das magnetische Wechselfeld H _WS "angehoben" oder "abgesenkt" wird. Die dadurch geänderten Verhältnisse lassen sich an der Fig. 4 ab lesen, die den zeitlichen Verlauf des resultierenden Magnetfeldes

H = H _WS - H_m (III)

zeigt. Die Wiegand-Impulse 9 treten nun bei Phasenlagen ω t₂ und ω t₃ auf, die gegenüber den Ausgangslagen l t₁ und ω t₁+π in Richtung auf den zwischen ihnen liegenden Scheitelwert der Feldstärke bei der Phasenlage π/2 verschoben sind. Solange

H _M « _WS

ist, findet die Änderung der Phasenlage der Wiegand-Impulse 9 im Bereich der linearen Abhängigkeit der Feldstärke H _WS bzw. H _WS-H _M von der Phase ω t statt.

Will man über den gesamten Phasenbereich einen linearen Zusammenhang zwischen der Phasenlage der Wiegand-Impulse 9 und dem zeitlich unveränderlichen Magnetfeld H _M erhalten, dann kann man dies durch Verwendung einer sägezahnförmigen Wechselspannung zur Speisung der Erregerwicklung 3 erreichen. Das Magnetfeld H _SZ der Erregerwicklung 3 hat dann ebenfalls einen ungefähr sägezahnförmigen Verlauf (Fig. 5). Bei Lage des Wiegand-Drahtes 1 im Nulldurchgang des zeitlich unveränderlichen Feldes 5 (H _M=O) haben die Wiegand-Impulse 9 die Phasenlagen l t₄ und ω t₄+ π (Fig. 5). Wird dem Wechsel feld H _SZ durch Verschieben des Wiegand-Drahtes 1 in Richtung des Pfeiles 10 ein Gleichfeld H _M überlagert, so verschieben sich die Phasenlagen der Wiegand-Impulse 9 zu den Werten ω t₅ und l t₆, die von den ursprünglichen Phasenlagen ω t₄ und ω t₄+π in Richtung auf den Scheitelwert der Feldstärke in der Phasenlage π/2 verschoben sind, und zwar ist die Verschiebung der Phasenlagen der Feldstärke H _M proportional:

ω(t₅ - t₄) = K₁ · H _M (IV)

ω(t₄ + π - t₆) = K₂ · H _M (V)

Die Konstanten K₁ und K₂ sind abhängig von der Steilheit der beiden Flanken eines jeden Sägezahns des magnetischen Wechselfeldes. Werden wie im gezeichneten Beispiel beide Flanken mit übereinstimmender Steilheit gewählt, dann ist

K₁ = K₂

und die Wiegand-Impulse 9 beider Polarität erfahren dieselbe Phasen verschiebung, die linear von der Feldstärke H _M abhängt.

Linearisiert man auch noch den örtlichen Verlauf des Magnetfeldes H _M, so daß

H _M = K₃ · s (VI)

ist, wobei K₃ eine Konstante ist, dann ist die Phasenverschiebung der Wiegand-Impulse 9 auch linear von der Verschiebung Δ s im Magnetfeld 5 abhängig.

Symmetrische Erregung des Wiegand-Drahtes 1 tritt auf, solange

H_M < _WS - H _S (Fig. 3) (VII)

bzw.

H _M < _SZ - H _S (Fig. 5) (VIII)

Werden diese Werte überschritten, so geht die Erregung in eine asymmetrische Erregung über, bei der jeder zweite Wiegand-Impuls ausbleibt, die verbleibenden Impulse also nur noch eine Polarität besitzen.

Die asymmetrische Erregung endet, wenn

H _M < _WS - H _R (VIIa)

bzw.

H _M < _WS - H _R (VIIIa)

wird, wobei H _R die für eine magnetische Rückstellung des Wiegand- Drahtes erforderliche Feldstärke ist (ungefähr 16 A/cm).

Der Grenzwert aus der Beziehung (VII) ist in Fig. 2 eingezeichnet. Aus ihm bestimmt sich der Arbeitsbereich S _h des Weggebers.

Claims

1. Induktiver Weggeber mit einer elektrischen Erregerwicklung, einer elektrischen Sensorwicklung und mit einem die Erreger wicklung und die Sensorwicklung magnetisch koppelnden ferromagnetischen Kern, wobei die Erregerwicklung mit einem periodischen elektrischen Spannungssignal gespeist wird und das in der Sensor wicklung erzeugte elektrische Anwortsignal ein Maß für die zu messende Wegstrecke ist, dadurch gekennzeichnet, daß der ferro magnetische Kern ein bistabiles magnetisches Element (nachfolgend BME genannt) ist,
daß Mittel (6, 7) zum Erzeugen eines zeitlich unveränderlichen Magnet feldes (5) vorgesehen sind, welches das BME (1) überlagert und am Ort des BME (1) einen Gradienten der magnetischen Feldstärke auf weist,
und daß das BME (1) und die magnetfelderzeugenden Mittel (6, 7) relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Richtung der Relativ bewegung eine dem Gradienten der magnetischen Feldstärke am Ort des BME (1) parallele Komponente aufweist.

2. Weggeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (6, 7) zum Erzeugen des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds (5) derart ausgebildet und angeordnet sind, daß der Gradient dieses Magnetfeldes (5) über einen gewissen Bereich der zu überwachenden Wegstrecke (s) konstant ist.

3. Weggeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das der Erregerwicklung (3) zugeführte, periodische, elektrische Spannungssignal in jeder Periode einen zeitlich linearen Spannungsverlauf aufweist.

4. Weggeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungssignal eine Sägezahngestalt hat, wobei die beiden Flanken eines jeden Zahnes in ihrer Steilheit übereinstimmen.

5. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel (6, 7) zum Erzeugen des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds (5) ein Dauermagnet oder eine Anordnung von Dauermagneten (6, 7) sind.

6. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das zeitlich unveränderliche Magnetfeld (5) so aufgebaut ist, daß es im räumlichen Arbeitsbereich (S _h) des Weggebers einen Nulldurchgang (Vorzeichenwechsel) seiner magnetischen Feldstärke besitzt, und daß das von der Erregerwicklung (3) erzeugte, zeitlich periodische Magnetfeld ein Wechselfeld ist.

7. Weggeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nulldurchgang des zeitlich unveränderlichen Magnetfelds (5) ungefähr in der Mitte eines Feldstärkebereichs mit konstantem räum lichen Gradienten der Feldstärke liegt, und daß das von der Erregerwicklung (3) am Ort des BME (1) er zeugte magnetische Wechselfeld bezüglich seiner periodischen Null durchgänge (Vorzeichenwechsel) seiner Feldstärke symmetrisch ist.

8. Weggeber nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (3) mit sinusförmiger Wechselspannung gespeist wird.

9. Weggeber nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (3) mit einer sägezahnförmigen Wechsel spannung gespeist wird, bei der die beiden Flanken eines jeden Zahnes dieselbe Steilheit aufweisen.

10. Weggeber nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der Sensorwicklung (2) eine Auswerteschaltung (8) nachgeschaltet ist, welche beim Ausbleiben von Impulsen (9) der einen von zwei Polaritäten ein vorbestimmtes Signal abgibt.

11. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das BME (1) ein Wiegand-Draht ist.

12. Weggeber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zeitlich periodisch veränderliche Magnetfeld und das zeitlich unveränderliche Magnetfeld (5) am Ort des BME (1) einen möglichst weitgehend parallelen Feldlinienverlauf besitzen.