DE3133035A1 - "vibrationsfuehler" - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Vibrationsfühler, der Vibrationen in elektrische Signale umsetzt; im einzelnen betrifft die Erfindung einen Vibrationsfühler mit einem bewegbaren Körper, der Vibrationen ausgesetzt wird und dessen Versetzung in ein elektrisches Signal umgesetzt wird.

Bei einer herkömmlichen Anordnung wird eine einer Vibrations- oder Schwingungsamplitude entsprechende Widerstandsänderung eines Halbleiter-Dehnungsmessers in ein Vibratiönserfassungssignal umgesetzt. Bei einer Sensor-Anordnung dieser Art ist die der Schwingamplitude entsprechende Widerstandsänderung so gering, daß wegen der Unterdrückung von Rausch- oder Störsignalen der mit dem Fühler verbundene Schaltungsaufbau kompliziert ist. Der Temperaturbereich, innerhalb dessen der Fühler arbeiten kann, ist auf ungefähr -30 C bis +100 G beschränkt, da der Halbleiter in starkem Ausmaß von Temperaturänderungen beeinflußt wird.

VI/22

Doutsche Bank (tau» . .· 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939844 Postscheck (München) KIo §70-43-804

->&-. DE 1311

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationsfühler zu schaffen, der eine nur verhältnismäßig einfache Verarbeitung eines Vibrationserfassungssignals erforderlich macht.

Ferner soll mit der Erfindung ein Vibrationsfühler geschaffen werden, der hohe mechanische Festigkeit, hohe Elastizität und eine verbesserte Beständigkeit hat, die nur wenig von Temperaturänderungen beeinflußt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Vibrationsfühler ist ein Permanentmagnet fest an einem bewegbaren Körper angebracht. Ferner ist ein weichmagnetisches Teil mit einer Querschnittsfläche vorgesehen, die so verringert ist, daß leicht eine magnetische Sättigung erzielbar ist. An dem weichmagnetischen Teil ist eine elektrische Spule mit einer hohen Windungsanzahl angebracht, so daß das weichmagnetische Teil mit einer verhältnismäßig niedrig angelegten Spannung bzw. mit einem verhältnismäßig schwachen Strom magnetisch gesättigt werden kann. Der Permanentmagnet hat geringe Abmessungen; das weichmagnetische Teil wird einem Magnetfeld mit einer Stärke ausgesetzt, , die der Bewegung bzw. Versetzung des Magneten entspricht.

Eine für die Sättigung des weichmagnetischen Teils (vom

Augenblick des Anlegens einer Spannung an eine an dem Teil angebrachte elektrische Spule an) erforderliche Zeit T kann annähernd folgendermaßen angegeben werden:
30

wobei E die angelegte Spannung ist, N die Windungsanzahl der elektrischen Spule ist, $ der maximale Fluß ist, der annähernd gleich dem Sättigungsfluß ist, und φ der durch ein äußeres Magnetfeld gebildete Fluß ist.

-ßf- DE 1311

Sobald sich die Stärke des Flusses φ , der dem weichmagnetischen Teil aufgeprägt wird, entsprechend einer Bewegung des Permanentmagneten ändert, ändert sich auch die Zeit T. Wenn somit der Permanentmagnet im Ansprechen auf Vibrationen versetzt wird, so daß eine Änderung des dem weichmagnetischen Teil aufgeprägten äußeren Flusses <f> hervorgerufen wird, ändert sich die Dauer der Zeit T vom Anlegen einer Spannung an die elektrische Spule

.η an bis zum Erreichen einer vorbestimmten Spulenstrom-Stärke. Dementsprechend wird bei dem erfindungsgemäßen Vibrationsfühler eine elektrische Schaltung oder eine elektronische Halbleitereinrichtung vorgesehen, die die Größe T ermittelt und ein diese Größe darstellendes elektrisches Signal in der Form eines Spannungspegels oder eines digitalen Codes abgibt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen yibrationsfühlers wird zur Bildung des weichmagnetischen Teils ein amorphes magnetisches Material verwendet. Da ein amorphes magnetisches Material durch Abschrecken aus Flüssigphasen-Metall gewonnen werden muß, wird es au einem dünnen blatt geformt. Es zeigt Ferromagnetisrnus und hat einen hohen Wert der magnet! gehen Sattitung, hohe Permeabilität und geringe Koerzitivkraft, während es eine sehr hohe Bruchfestigkeit, eine hervorragende Elastizität und eine hervorragende Beständigkeit zeigt. Diese Eigenschaften eines amorphen Materials sind bei dem erfindungsgemäßen Vibrationsfühler außerordentlieh nutzvoll. Der Einsatz des Materials erleichtert die Signalverarbeitung und steigert die Genauigkeit hinsichtlich der Bestimmung der Größe T. Ferner wird in mechanischer Hinsicht der Herstellungsvorgang vereinfacht während die Widerstandsfähigkeit gegenüber Vibrationen und Stoßen verbessert wird.

-ff- DE 1311

' Die Erfindung wird nachstehend anhand von AusfUhrungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in welcher durchgehend in allen Figuren gleiche oder einander entsprechende Teile mit den gleichen Be- ^ zugszeichen bezeichnet sind.

Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht eines Vibratiaonsfühlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 a ist ein Schaltbild einer an den in Fig. 1 gezeigten Vibrationsfühler anzuschließenden elektrischen Verarbeitungsschaltung zur Erzeugung einer Analogspannung mit einem Pegel, der der Vibrationsamplitude entspricht.

Fig. 2 b ist eine graphische Darstellung, die die Kurvenformen des Eingangs- und des Ausgangssignals Öer in Fig. 2a gezeigten Verarbeitungsschaltung zeigt.

Fig. 3 a ist eine perspektivische Ansicht, die die Relativlage eines weichmagnetischen Teils und eines

Permanetmagneten zeigt, wobei diese Anordnung

zur Ermittlung einer Verzögerungszeit verwendet

wird, die sich entsprechend der Relativlage des Permanentmagneten gegenüber dem weichmagnetischen Teil ändert.

Fig. 3 b zeigt graphisch Spannungsdaten für die Verzögerungszeit, die sich bei der in Fig. 3a dargestellten Anordnung entsprechend einer Wegstrecke y eines 10 mm langen Permanentmagneten in der Y-Y-Richtung verändert, wobei die elektrische

-sr- de 1311

Spule an die in Fig. 2a gezeigte elektrische Verarbeitungsschaltung angeschlossen wird und an die elektrische Spule eine Impulsspannung derart angelegt wird, daß an dem gemäß Fig. 3a oberen Ende des weichmagnetischen Materials ein S-PoI erzeugt wird.

Fig. 3 c zeigt graphisch dementsprechende Daten für einen 30 mm langen Permanentmagneten.

Fig. 3 d zeigt graphisch Daten für einen 30 mm langen Permanentmagneten, die den in Fig. 3b gezeigten entsprechen, wenn an die elektrische Spule eine ,c Impulsspannung mit einer derartigen Polarität

angelegt wird, daß an dem gemäß Fig. 3a oberen Ende des weichmagnetischen Teils ein N-PoI erzeugt wird.

2Q Fig. 4 ist eine Linksschnittansicht eines Vibrationsfühlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 5 a zeigt graphisch Spannungsdaten über die Verzögerungszeit, die sich bei Verwendung der in Fig.

3a gezeigten Anordnung entsprechend einer Weg

strecke χ eines 10 mm langen Permanentmagneten in der X-X-Richtung verändert, wobei die elektrische Spule an die in Fig. 2a gezeigte elektrische Verarbeitungsschaltung angeschlossen und an die elektrische Spule eine Impulsspannung mit einer

derartigen Polarität angelegt wird, das an dem gemäß Fig. 3a oberen Ende des weichmagnetischen Teils ein S-PoI erzeugt wird.

-S- DE 1311

Fig. 5 b zeigt graphisch den Daten nach Fig. 5a entsprechende Daten in dem Fall, daß an die elektrische Spule die Impulsspannung mit einer derartigen Polarität angelegt wird, daß an dem gemäß Fig. 3a oberen Ende des weichmagnetischen Teils ein N-PoI erzeugt wird.

Fig. 6 ist eine Längsschnittansicht eines Vibrationsfühlers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

Fig. 7 ist eine Ansicht eines Schnitts längs der^;Linie A-A in Fig. 6. ■

Fig. i\ int eine Ansicht eines Schnitts längs der Linie B-B in Fig. 6.

Fig. 9 ist ein Schaltbild einer an den in den Fig» 6, 7 und 8 gezeigten Vibrationsfühler anzuschließen-2Q den elektrischen Verarbeit ^r.ungsschaltung zur Erzeugung einer Analogspannung mit einem Pegel, der von einer ermittelten Vibrationsamplitude abhängt. ·

Fig. 10 a ist eine perspektivische Ansicht, die die Relativlagen eines Paars weichmagnetischer Teile und eines Permanentmagneten zeigt, wobei die Anordnung zur .Ermittlung einer Verzögerungszeit an zugeordneten elektrischen Spulen in Überein-

30· Stimmung mit der Lage des Permanentmagneten in Bezug auf die weichmagneti'schen Teile verwendet wird.

Fig. 10 b zeigt graphisch Spannungsdaten über eine Verzögerungszeit, die sich bei Verwendung der in

-YS- DE 1311

Fig. 10a gezeigten Anordnung entsprechend einer

Wegstrecke χ eines 30 mm langen Permanentmagneten in der X-X-Richtung verändert, wobei ein Paar

elektrischer Spulen in einem Abstand von 35 mm ^ angeordnet und an die in Fig. 9 gezeigte elektrische Verarbeitungsschaltung angeschlossen wird und wobei an die elektrischen Spulen jeweils eine Impulsspannung einer derartigen Polarität angelegt wird, daö an dem gemäß Fig. 10a oberen Ende des entsprechenden weichmagnetischen Teils ein S-PoI erzeugt wird.

Fig. 10 c zeigt graphisch den Daten nach Fig. 10b entsprechende Daten im Falle des Anlegens der Impulsspannung an die elektrischen Spulen mit einer derartigen Polung, daß an dem gemäß Fig. 10a oberen Ende des entsprechenden weichmagnetischen Teils ein N-PoI erzeugt wird.

Fig. 10 d zeigt graphisch den Daten gemäß Fig. 10b -entsprechende Daten bei einem Abstand der elektri-. sehen Spulen von 50 mm.

„_ Fig. 10 e zeigt graphisch den Daten nach Fig. 10c entsprechende Daten bei einem Abstand der elektrischen Spulen von 50 mm.

Fig. 11 zeigt graphisch den Zusammenhang zwischen den die Verzögerungszeit darstellenden Spannungsdaten aus der in Fig. 2a gezeigten elektrischen Verarbeitungsschaltung und der Versetzung χ des Permanentmagneten in der X-X-Richtung bei der in Fig. 3a gezeigten Anordnung für verschiedenartige weichmagnetische Teile.

^ ■-:_■ .L

-yi- DE 1311

' Bei dom in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel hat ein Vibrat.ionnfuhler 1 ein aus einem Harzmaterial geformtes hohles Gehäuse 2, an dem mit Hilfe von Schrauben 4 ein Deckel 3 aus Harz befestigt ist. In dem Gehäuse 2 sind ein großer Raum bzw. eine große Kammer 5 sowie zwei mit der Kammer 5 in Verbindung stehende kleine Kammern 6 und 7 gebildet. Im einzelnen ist das Gehäuse 2 so ausgebildet, daß es an einen Zylinderblock 8 einer Fahrzeugmaschine angebracht werden kann. Der Deckel 3 ist mit -zwei '^ Anschlüssen 9 und 10 versehen. An dem Umfang der großen Kammer 5, die von dem Gehäuse 2 und dem Deckel 3 begrenzt ist, sind ein Paar weichmagnetischer Teile 11, ein Paar den ganzen Außenumfang des jeweiligen weichmagnetischen Teils 11 umgebende Spulenkörper 12 und ein Paar an den jeweiligen Spulenkörpern 12 angebrachter elektrischer Spulen 13 so angeordnet, daß sie eine Einheit 14 bilden.

In Axialrichtung in der Mitte der großen Kammer 5 er-.

streckt sich ein hohler Halter 15 für einen Permanentmag-20

neten 16. Der Permanentmagnet-Halter 15 ist in der Weise

geführt, daß ein Ende desselben normalerweise innerhalb der in dem Gehäuse 2 gebildeten Kammer 6 angeordnet ist, während das andere Ende des Halters normalerweise innerer halb der in dem Deckel 3 gebildeten Kammer 7 angeordnet ist. Der Permanentmagnet 16 ist dadurch in' dem Halter festgehalten, daß in diesen eine Kappe 17 eingepreßt ist. In den kleinen Kammern 6 und 7 sind jeweils Druckfedern 18 bzw. 19 angeordnet, die einen bewegbaren Körper <3Q aus dem Magnet-Halter 15, dem Permanentmagneten 16 und der Kappe 17 so halten, daß der bewegbare Körper sich durch Vibrationen in Axialrichtung bewegen kann.

Die Versetzungslage des Permanentmagneten 16 wird mittels einer elektrischen Verarbeitungsschaltung erfaßt.

133035

->?- DE 1311

Bei dem Vibrationsfühler wird ein weichmagnetisches Material verwendet, das hohe Permeabilität (u > 10 ) und

/ ITIcLX

niedrige Koerzitivkraft ( <. 1,0 Oe) zeigt. Einige weichmagnetische Materialien sind in dem Artikel "Soft Magnetic Properties of Metallic Glasses - Recent Development^" J.Appl. Phys. 50(3) März 1979, Seiten 1551 bis 1556 von Hasegawa u.a. beschrieben. Weichmagnetische Materialien werden unter der Handelsbezeichnung METGLAS (TM) von der Allied Chemical Corp. vertrieben.

Die Fig. 2a zeigt eine elektrische Verarbeitungsschaltung 100 in einer Ausführungsform. Die Schaltung 100 hat einen Anschluß 101, der an eine vorgegebene Gleichspannung in der Größenordnung von beispielsweise +5V anzuschließen ist. Die Schaltung hat ferner einen Eingangsanschluß 102, an den Spannungsimpulse mit einer Frequenz in der Größenordnung von beispielsweise 5 bis 25 kHz angelegt werden. Ein mit seiner Basis an den Eingangsanschluß 102 angeschlossener NPN-Transistor 103 ist während der Zeit positiver Impulsspannung leitend und wird gesperrt, wenn die Impulsspannung Massepegel annimmt. Wenn der Transistor 103 durchgeschaltet bzw. gesperrt wird, wird ein PNP-Transistor 104 durchgeschaltet bzw. gesperrt.

2c Damit wird während der Zeit, während der die an den Eingangsanschluß 102 angelegte Impulsspannung positiv verbleibt, die Versorgungsspannung Vcc an die elektrische Spule 13 angelegt, während bei Massepegel der Impulsspannung keine Spannung an die Spule angelegt wird.

An einem Widerstand 105 entsteht eine zu einem über die Spule 13 fließenden Strom proportionale Spannung, die mittels eines Integrators aus einem Widerstand 106 und einem Kondensator 107 integriert wird, wobei die integrierte Spannung an einem Ausgangsanschluß 108 auftritt.

-Κ5- DE 1311

' Die Fig. 2b zeigt graphisch die Kurvenformen der Eingangsi;pannung und der Ausgangsspannung der in Fig. 2a gezeigten Schaltung. Eine Verzögerungszeit td von der Anstiegsflanke einer Eingangsspannung IN bis zum Übersteigen eines vorgegebenen Spannungspegels an dem Widerstand 105 sowie die ein Integral der Spannung an dem Widerstand 105 darstellende integrierte Spannung Vx hängen beide von der Lage des Permanentmagneten 16 ab.

Gemäß den vorangehenden Ausführungen kann der Vibrationsfühler 1 nach Fig. 1 an eine elektrische Verarbeitungsschaltung 100 (Fig.2a) angeschlossen werden, um ein elektrisches Signal zu gewinnen, das die Lage des Permanentmagneten 16 innerhalb des Vibrationsfühlers 1 angibt.

'5 Zunächst wird die an dem Vibrationsfühler 1 hervorgerufene Vibration in eine Lage des Permanentmagneten 16 umgesetzt. Die Umsetzung der Lage des Permanentmagneten 16 in ein elektrisches Signal wird nun anhand von in den Fig.^v 3b bis 3d gezeigten Versuchsdaten beschrieben. Bei diesen Versuchen wird gemäß der Darstellung in Fig. 3a das weichmagnetische Teil 11 fest angebracht und der Permanentmagnet 16 parallel zu dem Teil angeordnet. Eine X-X-Achse wird so gewählt, daß sie durch die Mitte des weichinagnetischen Teils 11 in Richtung senkrecht zur Längsrichtung des Teils 11 verläuft, die eine Y-Y-Achse darstellt. Als Ursprung wird die Stelle gewählt, bei der der Permanentmagnet 16 auf der X-X-Achse angeordnet ist. Dann werden die Werte einer Spannung Y-Y und einer Verzögerungszeit td als Funktion der Wegstrecke y des Permanentmagneten 16 in der Y-Y-Richtung bestimmt. Die besonderen Angaben über den Versuchsaufbau bzw. das weichnagnetische Teil 11 sowie die erzielten Daten sind in der nachstehenden Tabelle 1 als Fälle Nr. 1 bis 3 aufgelistet.

CO

to

Oi

Tabelle 1

CJi

Pall Iir.

2

5

Weichmagnetisches Teil 11

Dicke mm

a mm

b mm

Blatt anzahl

Spule 13

Permanent magnet 16

d mm

e mm

Ab stand

Meßvorr. u.Eing,- Impuls- frequenz

Span nung s- po- lung

Daten

i

3

Material (Atom-Gew.$)

0,050

40

1,8

5

Windungs- anzahl

C mm

5

4

f Trim

Schal tung 100 5 kHz

S-N

Fig. 3b

4

Fe40Ni38Mo4B18 amorph

Il

Il

Il

M

1000

10

Il

Il

5

Il

Il

Fig. 3c

Il

Il

H

Il

Il

It

30

Il

Il

Il

Il

N-N

Fig. 3d

M

Il

Il

Il

Il

Il

30

Il

It

Il

It

S-N

Fig. 5a

Il

Il

Il

Il

Il

Il

10

Il

Il

X

Il

N-N

Fig. 5b

Il

Il

10

X

OO OO CD OO

ω ο

cn

Cn

Tabelle 1 (Fortsetzung)

Pall Nr.

Weichmagnetisches Teil 11

Dicke mm

a mm

b πιπί

5

Blatt anzahl

Spule. 13

Permanent magnet 16

d mm

e mm

Ab stand

Meßvorr. u.Eing.- Impuls- frequenz

Span nung s- po- lung

Daten

10

Material (Atom-Gew.$)

0,058

40

1,8

Ii

Ul

Windungs- anzahl

C mm

5 l

4

f mm

Schaltung 100 5 kHz

S-N

Fig. 15 Al.

11

Fe40M40P14B6

Il

Il

It

Il

Il

1000

30

Il

X

Il

N-N

Fig. 15 A2

12

Il

0,200

40

Il

2

Il

Il

Il

Il

X

Il

S-N . ■

Fig. 15 Bl

13

Ni8OFel6M°4 w-Metall

Il

Il

Il

M

Il

Il

Il

X

Il

N-N

Fig. 15 B2

14

Il

0,100

Il

Il

Il

Il

Il

Il

X

Il

S-N

Fig. 15 Cl

15

Ni8OFe2O Superpermalloy

Il

Il

Il

Il

Il

Il

Il

X

Il

**■

Fig. 15 C2

Il

Il

Il

X

t ι t: ι

-Itf- DE 1311

Die Angabe "S-N" in der Spalte "Spannungspolung" bedeutet einen Anschluß der elektrischen Spule 13 an die elektrische Schaltung 100 in der Weise, daß an dem in Fig. 3a oberen Ende des weichmagnetischen Teils 11 ein S-PoI erzeugt wird. Auf gleichartige Weise bedeutet der Ausdruck "N-N" einen Anschluß der elektrischen Spule 13 an die elektrische Schaltung 100 in der Weise, daß an dem gemäß Fig. 3a oberen Ende des weichmagnetischen Teils 11 ein N-PoI erzeugt wird.
10

Wie aus den in Fig. 3b gezeigten Daten ersichtlich ii>t, ist bei dem Fall Nr. 1 eine Spannung Vy sehr hoher Genauigkeit für eine Wegstrecke y des Magneten von 0 mm bis + 14 mm oder von -1 mm bis -15 mm oder vorzugsweise von +2 mm bis +12 mm oder von -3 mm bis -13 mm in Richtung der Y-Y-Achse erzielbar. Für den Fall Nr. 3 ist ersichtlich (Fig. 3d), daß eine Spannung Vy hoher Genauigkeit für einen weiteren B.ereich der Wegstrecke y des Magneten erzielt wird. Bei dem Fall Nr. 2 (Fig.3c) ist der Bereich

*® guter Linearität verhältnismäßig eingeengt, jedoch wird eine Spannung für verschiedene aufgeteilte Bereiche der Wegstrecke y erzielt. Daher wird ein Arbeitsbereich bzw. Wegbereich des Magneten 16 in dem Vibrationsfühler 1 nach Fig. 1 so gewählt, daß die Spannung Vy gute Lineari-

■" tat in Bezug auf die Wegstrecke bzw. Lage y des Magneten zeigt.

Bei einem in der Fig. 4 gezeigten Vibrationsfühler 1 ist ein Permanentmagnet 16 fest an einer Blattfeder 15

angebracht, die als Magnethalter wirkt, wobei die Achse des Magneten mit einer Y-Y-Achse ausgerichtet ist, die senkrecht zu einer X-X-Achse steht, in deren Richtung sich die Blattfeder 15 bewegt, und wobei ein weichmagnetisches Teil 11 parallel zu der Achse des' Magneten 16

angeordnet ist.

-yi DE 1311

Sobald sich bei diesem Vibrationsfühler die Blattfeder Ib bewegt, bewegt sich der Permanentmagnet 16 bezüglich des weichmagnetischen Teils 11 in der Richtung der in Fig. 3a gezeigten X-X-Achse. In den Fig. 5a und 5b sind Versuchsdaten dargestellt, die bei der derartigen Bewegung des Permanentmagneten 16 erzielt werden. Verschiedenerlei Parameter wie der Aufbau, die Dimensionen und die Anordnungen der zugehörigen Teile, die zur Erzielung der in den Fig. 5a und 5b gezeigten Daten verwendet werden, sind in der Tabelle 1 als Fälle Nr. 4 und 5 angegeben. Aus den in den Fig. 5a und 5b gezeigten Daten ist ersichtlich, daß bei der Bewegung des Permanentmagneten 16 in der Richtung der X-X-Achse der Bereich relativ

ic eingeengt ist, in dem eine Spannung Vx bzw. eine Verzögerungszeit td als Funktion der Wegstrecke χ des Magneten 16 gute Linearität hat. Da jedoch in einem derartigen eingeengten Bereich die Änderung sehr groß ist, kann die Gestaltung so getroffen werden, daß sich der Perma-

20 nentmagnet 16 über diesen eingeengten Bereich bewegt.

Bei einem in den Fig. 6, 7 und 8 gezeigten Vibrationsfühler 1 wird allgemein auf die gleiche Weise wie bei dem in Fig. 4 gezeigten Vibrationsfühler ein Permanentmagnet ie entsprechend den Vibrationen in der Richtung der X-X-Achse so bewegt, daß er einem weichmagnetischen Teil 11 angenähert oder von diesem entfernt wird. Es ist je doch ersichtlich, daß dem ersten weichmagnetischen Teil 11 ein gesondertes weichmagnetisches Teil 29 unter Zwi-

schensetzung des Permanentmagneten 16 gegenübergesetzt Ist. Das weichmagnetische Teil 29 erstreckt sich durch einen Spulenkörper 30 hindurch, der eine elektrische Spule 31 trägt.

Die Fig. 9 zeigt eine elek· trische Verarbeitungsschaltung

. 3133Q35 17 ^:

->β- DE 1311

180, die in Übereinstimmung mit der Lage des Permanentmagneten 16 in dem in den Fig. 6, 7 und 8 gezeigten Vibrationsfühler 1 eine Analogspannung Vx erzeugt. Im einzelnen ist bei der Schaltung 180 ein NPN-Transistor 103

während der Zeit positiven Pegels einer Eingangsimpulsspannung IN durchgeschaltet und während der Zeit eines Massepegels der Eingangsimpulsspannung gesperrt. Die Kollektorspannung des Transistors 103 wird mittels eines

Paars invertierender Verstärker IN3 und IN4 verstärkt 10

und geformt, bevor sie an die Basis eines NPN-Transistors 121 angelegt wird. Auf diese Weise ist bei positivem Pegel der Eingangsimpulsspannung IN der Transistor 103
durchgeschaltet, während der Transistor 121 gesperrt ist. Demzufolge ist während dieses Zeitintervalls ein PNP-Transistor 104 gesperrt. Während der Zeit des Massepegels der Eingangsimpulsspannung ist der Transistor 103 gesperrt, während die Transistoren 121 und 104 durchgeschaltet sind. D.h., an die elektrische Spule 13 wird eine Impulsspannung angelegt, wodurch an einem Widerstand 105 ein Spannungsimpuls mit einer Verzögerungszeit tdl gegenüber der abfallenden Flanke der Eingangsimpulsspannung IN in der Weise auftritt, daß die Verzögerungszeit dem Abstand χ des Permanentmagneten 16 von dem weichmagnetischen Teil 11 entspricht.

An die andere elektrische Spule 31 wird eine Konstantspannung über einen PNP-Transistor 181 angelegt. Während der Zeit positiven Pegels der Eingangsimpulsspannung IN ist der Transistor 103 durchgeschaltet, so daß ein invertierender Verstärker IN 5 ein positives Ausgangssignal abgibt, welches seinerseits während dieser Zeit einen NPN-Transistor 182 durchschaltet, wodurch auch der Transistor 181 durchgeschaltet wird; der Transistor 181

wird gesperrt, wenn die Eingangsimpulsspannung IN Massepegel annimmt. Demzufolge wird an die zweite elektrische

-*4- DE 1311

Spule 31 eine Konstantspannungn angelegt, wenn an die erste elektrische Spule 13 keine Spannung angelegt wird, während keine Spannung an die zweite elektrische Spule 31 angelegt wird, wenn an die Spule 13 eine Spannung angelegt wird. D.h., an die erste und die zweite Spule 13 bzw. 31 wird die Konstantspannung abwechselnd in Übereinstimmung mit der Eingangsimpulsspannung In angelegt.

_in Die zweite Spule 31 ist an einen Widerstand 183 angeschlossen, an dem ein Spannungsimpuls mit einer Anstiegsflanke auftritt, die gegenüber der Anstiegsflanke der liingangsimpulsspannung IN um ein Zeitintervall td 2 verzögert, ist, das von dem Abstand x_ des Permanentmagneten 16 von dem weichmagnetischen Teil 29 abhängt. Die an dem Widerstand 105 entstehende Spannung Vx 1 wird an einen Belag eines Kondensators 184 angelegt, an dessen anderen Belag die an dem Widerstand 183 entstehende Spannung Vx2 Angelegt wird. Da der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 16 einerseits und dem ersten bzw. dem zweiten weichmagnetischen Teil 11. bzw. 29 andererseits mit χ bzw. χ gegeben ist, wobei X₁ + x_? = k (konstant) gilt, und da die Spannungen VxI bzw. Vx2 zu den Größen X₁ bzw. χ proportional sind, entspricht die Potentialdifferenz an dem Kondensator 184. der Größe (X₁-Xp).

Der Kondensator 184 bildet- zusammen mit einem Widerstand 185 einen Integrator, so daß an dem Kondensator eine Spannung entsteht, die der Größe (X₁ - x_?) entspricht. Da Xp = k - χ. gilt, ist x. - X₂ = 2x "— k. Daher entspricht die Spannung an dem Kondensator 184 der Größe 2X₁ . D.h. , es wird eine Analogspannung erzielt, die dem Doppelten der Wegstrecke X₁ des Permanentmagneten 16

35 in Bezug auf das erste v/eichmagnetische Teil 11 ent-

13

DE 1311

Die beiden gegenpoligen Anschlüsse des Kondensators 184 werden mit den beiden Eingängen eines Rechenverstärkers 186 verbunden, der als Differenzverstärker gestaltet ist. Der Verstärker 186 gibt eine Analogspannung Vx ab, die der Größe 2x. entspricht.

Der Wert der Spannung Vx wird als Funktion des Wegs χ des Permanentmagneten 16 in der Richtung der X-X-Aonse unter Verwendung einer in der Fig. 10a gezeigten Anordnung ermittelt, bei der die weichmagnetischen Teile 11 und 29 parallel zueinander fest angeordnet v/erden, während der Permanentmagnet 16 parallel zu den Teilen 11 und 29 zwischen diesen angeordnet wird. Eine durch den Magneten und die Teile 11 und 29 in einer zu deren Achsen senkrechten Richtung verlaufende Achse wird als X-X-Achse gewählt, wobei der Ursprung (x=0) an der Stelle gewählt wird, an der der Permanentmagnet 16 in der Mitte zwischen den Teilen 11 und 29 steht. Parameter, a bis f hinsiehtlieh des Aufbaus und der Anordnung sowie das Material der weichmagnetischen Teile 11 und 29 sind in Übereinstimmung mit zugeordneten Meßdaten in der nachstehenden Tabelle 2 aufgeführt.

co

Ol

NJ O

Tabelle 2

Pall Nr.

7

8

Weichrnagnetxsche Ie-Ie 11 und 29

Dicke nun

a mm

b mm

Blatt anzahl

Spulen 13,31

Permanent magnet 16

d mm

e mm

Ab stand

Meßvorr. u.Eing,- Impuls- frequenz

Span nung s- po- lung

Daten

6

9

Material (Atom-Gew.^)

0,05

30

1,8

4

Windungs- anzahl

C mm

5

4 1

f min

Schaltung 180 5 kHz

S-N

Fig. ICt

Fe40Ni38Mo4B18 amorph

Il

Il

Il

Il

1000

30

Il

Il

35.

Il

N-N

Fig. 10c

Il

M

Il

Il

Il

Il

Il

Il

Il

35

Il

S-N

Fig. 1Od

Il

Il

Il

Il

Il

Il

Il

Il

Il

50

Il

N-N

Fig. 1Oe

Il

Il

Il

50

-22- DE 1311

Wenn der Abstand zwischen den weichmagnetischen Teilen 11 und 29 gering ist, wird ein Vx-x-Ansprechvermögen guter Linearität in Bezug auf den Abstand in einem Bereich von -IO mm <C x< 10 mm erzielt, wie es in den Fig. 10b und 10c gezeigt ist. Bei einem vergrößerten Abstand f zwischen den Teilen 11 und 29 wird gemäß der Darstellung in Fig. 1Od bei einer S-N-Betriebsart eine verhältnismäßig gute Linearität in einem Bereich von -9 mm <z χ <^ 9 mm erzielt, jedoch ist der Bereich guter Linearität im Vergleich zu dem bei einem kleineren Wert von f erzielten eingeengt. Ferner ist die Linearität im Vergleich zu der mit einem kleineren Wert von f erzielten verschlechtert. Gemäß der Darstellung in der Fig. 1Oe ist bei einer N-N-Betriebsart die Linearität in einem Bereich nahe dem Ursprung (x = 0) sehr gering, jedoch ist die Linearität verbessert, wenn eine Annäherung an eines der weichmagnetischen Teile erfolgt, wobei die Linearität derjenigen gemäß den Fällen Nr, 4 und 5 sehr nahe kommt. Dies ist deshalb der Fall, weil das Magnetfeld, das der Permanentmagnet 16 an den weichmagnetischen Teilen 11 und 29 errichtet, bei Lage des Magneten nahe dem Ursprung verringert ist. Da somit das Vx-x-Ansprechvermögen nicht nur von dem Abstand f zwischen den weichmagnetischen Teilen 11 und 29, sondern auch von dem Aufbau des Permanentmagneten 16 und der von diesem hervorgerufenen Feldstärke abhängt, kann ein gewünschtes Ansprechvermögen auf eine verhältnismäßig einfache Weise erzielt werden.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen und Abwandlun-^ου gen besteht jedes der weichmagnetischen Teile 11 und 29 aus mehreren Blättern eines amorphen magnetischen Materials, das eine hohe Elastizität und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber der Verformung zeigt. Für die weichmagnetischen Teile 11 und 29 des Vibrationsfühlers ^ können jedoch auch andere magnetische Materialien verwendet werden. Die Fig. 11 zeigt graphisch Vx-x-Dat.en für

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einen Vergleich zwischen der Anwendung eines amorphen magnetischen Materials und der Anwendung anderer magnetischer Materialien. Zur Erzielung dieser Daten werden das weichmagnetische Teil und der Permanentmagnet so angeordnet, wie es in der Fig. 3a gezeigt ist, wobei der Permanentmagnet in der Richtung der X-X-Achse bewegt wird. Verschiedenerlei Parameter eines derartigen Aufbaus und der Anordnung der Teile sind in der Tabelle 1 als Fälle Nr. 10 bis 15 aufgeführt. Die Kurven Al bis C2 in der Fig. 11 zeigen, daß jedes weichmagnetische Teil eine hohe Linearität hinsichtlich des Vx-x-Ansprechvermögens über einen Bereich von mindestens 6 mm (wie beispielsweise von χ = 10 mm bis χ - 16 mm gemäß der Kurve Al oder von χ = 8 mm bis χ = 14 mm bei der Kurve Bl) zeigt, und damit bei dem" Vibrationsfühler verwendet werden kann. Ein weichmagnetisches Teil aus einem amorphen Material ist für Anwendungszwecke vorzuziehen, bei denen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen und Verformung notwendig ist.

Aus der vorstehenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele und der Darstellung von Versuchsdaten ist ersichtlich, daß im Vergleich zu einem Vibrationsfühler mit einem Dehnungsmesser der Vibrationsfühler gemäß den Ausführungsbeispielen ein höheres elektrisches Signal entsprechend den Vibrationen abgibt, da der beschriebene Vibrationsfühler eine Änderung der Stärke eines von einem Permanentmagneten stammenden Magnetfelds durch Verbindung einer Dämpfungsvorrichtung und eines weichmagnetischen

"^υ Teils erfaßt. Ferner wird bei dem beschriebenen Vibrationsfühler die Versetzung eines bewegbaren Glieds, die der Vibrationsbeanspruchung entspricht, in eine Verzögerungszeit td zwischen einem Eingangsimpuls einer elektrischen Spule und einem Stromimpuls über die Spule umge-

setzt. Die Verzögerungszeit td wird zu einer analogen Form verarbeitet. Auf diese Weise wird durch die elektri-

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sehe Verarbeitung ein Vibrationsmeßsignal in der Weise erzielt, daß es in hohem Ausmaß gegenüber Schwankungseinflüssen unempfindlich ist und in geringem Ausmaß Verschlechterungen unterliegt, wie sie beispielsweise durch mechanischen Abrieb hervorgerufen werden könnten. Da zwischen dem bewegbaren Körper bzw. Glied und seinem zugeordneten Wandler kein Verbindungsmechanismus vorhanden ist, entsteht kein Spiel, so daß eine stabile bzw. gleichförmige Vibrationsermittlung erzielt wird. Es ist von ^O großer Bedeutung, daß der Aufbau der an den Fühler angeschlossenen elektrischen Verarbeitungsschaltung einfach ist.

Es wird ein Vibrationsfühler angegeben, der einen bewegbaren Körper, einen mit dem bewegbaren Körper verbundenen Permanentmagneten und eine Versetzunp.s/Impulsphasen-Umsetzeinheit mit einem weichmagnetischen Teil aufweist, das einen elektrische Spule trägt und fest in der Nähe der Bewegungsbahn des Permanentmagneten angebracht ist. An ein Windungsende der elektrischen Spule wird eine Impulsspannung angelegt. An einem mit dem anderen Windungsende der elektrischen Spule in Reihe geschalteten Widerstand tritt ein Spannungsabfall auf. Eine die
Schwingungsamplitude darstellende Verzögerungszeit des _** Spannungsabfalls bezüglich der Impulsspannung wird in der Form einer analogen Spannung abgegeben.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   Iy Vibrationsfühler, gekennzeichnet durch einen bewegbaren Körper (15), der bewegbar in einem Gehäuse (2,3) angeordnet ist, eine Dämpfungsvorrichtung (18,19; 15) zum Tragen des bewegbaren Körpers, einen Pernianentmagneten (16), der mit dem bewegbaren Körper verbunden ist, eine Kernvorrichtung (11;11,29) aus weichmagnetischem Material, die nahe der Umgebung der Bewegungsbahn des Permanentmagneten angeordnet ist, und eine elektrische Spulenvorrichtung (13;13,31), die an der weichmagnetischen Kernvorrichtung angeordnet ist.
2. 2. Vibrationsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmap.netische Kernvorrichtung (11;
   11,29) aus einem amorphen magnetischen Material gebildet ist.
3. 3. Vibrationsfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsvorrichtung (18,19) unter wechselseitiger Gegenwirkung den bewegbaren Körper (15) an dessen einander gegenüberliegenden Enden trägt.

   VI/22

   Dnutsche Bank (München) KIo. 51/61070

   Dresdner Bank (München) KIo. 3939 844

   Poslsdipck (Mundmn) Kto 670 43-804

   ->8- DE 1311

   '
4. 4. Vibrationsfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (16) in seiner Längsrichtung magnetisiert ist, unter Ausrichtung seiner Längsrichtung mit der Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers (15) fest an diesem angebracht ist und in Längsrichtung der weichmagnetischen Kernvorrichtung (11; 11,29) magnetisiert ist.

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