DE3133035C2

DE3133035C2 - Vibrationsmeßfühler

Info

Publication number: DE3133035C2
Application number: DE3133035A
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Auburn Heights Mich. Iwasaki
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1980-08-29
Filing date: 1981-08-21
Publication date: 1985-12-12
Also published as: DE3133035A1; JPS5772024A; US4361045A

Abstract

Es wird ein Vibrationsfühler angegeben, der einen bewegbaren Körper, einen mit dem bewegbaren Körper verbundenen Permanentmagneten und eine Versetzungs/Impulsphasen-Umsetzeinheit mit einem weichmagnetischen Teil aufweist, das eine 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 geschaltenen Widerstand tritt ein Spannungsabfall auf. Eine die Schwingungsamplitude darstellende Verzögerungszeit des Spannungsabfalls bezüglich der Impulsspannung wird in der Form einer analogen Spannung abgegeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vlbrationsmeßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem aus der CH-PS 3 21 552 bekannten derartigen Vibrationsmeßfühler werden auftretende Vlbrationen über eine Spulenanordnung ermittelt, die sich bei Vlbrationen relativ zu einem Spulenkern bewegt, der aus In Längsrichtung aufeinanderfolgenden unterschiedlichen Materialien gefertigt Ist. Zur Ermittlung der in den Spulen hierbei auftretenden Induktlvltätsänderungen werden diese mit einer sinusförmigen Hochfrequenz-4(1 Wechselspannung gespeist und die spulenausgangsseltlg auftretenden Signalveränderungen gemäß dem Trägerfrequenz-Modulationsverfahren Qber einen der - in Brackenschaltung geschalteten - Spulenanordnung nachgeschalteten Demodulator ermittelt. Der Demodulator besitzt allerdings aufgrund der Vielzahl der benötigten Bauteile wie z. B. Transformatoren, Widerstände und Dioden relativ komplizierten Aufbau. Darüber hinaus ist zur Abnahme des Spulenausgangssignals zusätzlich eine Brückenschaltung erforderlich, so daß der für den bekannten Vibrationsmeßfühler benötigte Aufwand verhältnismäßig groß und damit auch die Störanfälligkeit relativ hoch sind.

Weiterhin ist aus der DE-AS 1173 266 ein Vibrationsmeßfühler bekannt, bei dem ein Permanentmagnet symmetrisch innerhalb einer Spulenanordnung magnetisch derart aufgehängt ist, daß er bei Vibrationen eine Relativbewegung gegenüber den beiden Spulen der Spulenanordnung ausführt und dabei In diesen der 5» Geschwindigkeit entsprechende Spannungen induziert. Dieses Meßprtnzlp hat allerdings einerseits den Nachteil, daß nicht die Schwingungsamplituden direkt, sondern vielmehr die Bewegungsgeschwindigkeiten an sich gemessen werden, und ermöglicht andererseits Insbesondere bei geringen Schwingungsamplituden keine sehr exakten und zuverlässigen Messungen.

Ferner 1st es aus »Freiburger Forschungshefte C 130«, 1962, S. 87, bekannt, die Tauchspule eines Seismographen mit Wechselstrom zu speisen, um die Amplitudencharakteristik des Seismographen zu ermitteln. Während dieses Meßschritts sind allerdings externe Vlbrationen nicht erfaß- und auswertbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationsmeßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, der bei relativ einfachem Aufbau eine exakte Ermittlung der jeweiligen Vibrallonsamplituden ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Vlbrationsmeßfühler ist somit einerseits das beweglich aufgehängte Element als Permanentmagnet ausgeführt. Andererseits besteht der im Innern der Spulenanordnung angebrachte Spulenkern [J aus amorphen weichmagnetischem Material und kann damit die bei Vibrationen auftretenden relativen Lagcver-

jff änderungen des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds äußerst exakt aufnehmen. Die Auswertung

W fts dieser durch den Spulenkern aufgenommenen Magnetfeldveränderungen wird durch die Impulsspeisung der

■ϊ Spulenanordnung drastisch vereinfacht, da die nunmehr als Impulsbreitenveränderungen In Erscheinung

jf tretende, den vorhandenen Vlbrationen entsprechenden Magnetfeldveränderungen durch die Welter vorgesehene

i| Integrierschaltung präzise In eine den Vibrationsamplituden entsprechende Gleichspannung umgesetzt werden

können. Damit ist bei einfachem Meßfühleraufbau eine äußerst exakte zuverlässige Ermittlung der jeweiligen Vibrationsamplituden sichergestellt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Gleiche oder einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen ^ bezeichnet. Es zeigt:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Vibrationsmeßfühlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2a ein Schaltbild einer an den in Fig. 1 gezeigten Vlbrationsmeßfühler angeschlossenen elektrischen Verarbeitungsschaltung zur Erzeugung einer Analogspannung mit einem Pegel, der der Vibrationsamplitude entspricht, ">

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

FJg. 3a eine perspektivische Ansicht der Relativlage eines weichmagnetischen Teils und eines Permanentmagneten,

Fig. 3b graphisch Spannungswerte für die Verzögerungszeit, die sich bei der in Fig. 3a dargestellten Anord- is nung entsprechend einer Wegstrecke y eines 10 mm langen Permanentmagneten In K-K-Richtung verändert, wobei die elektrische Spule an die in Flg. 2a gezeigte elektrische Verarbeitungsschaltung angeschlossen ist und an die elektrische Spule eine Impulsspannung derart anliegt, daß an dem gemäß Fig. 3a oberen Ende des weichmagnetischen Materials ein S-PoI erzeugt wird,

F i g. 3c giaphisch entsprechende Daten für einen 30 mm langen Permanentmagneten, -< >

Fig. 3d graphisch den in Fig. 3b gezeigten Daten entsprechende Daten für einen 30 mm langen Permanentmagneten, wobei an die elektrische Spule eine Impulsspannung mit einer derartigen Polarität angelegt Ist. daß an dem gemäß F i g. 3a oberen Ende des weichmagnetischen Teils ein N-PoI erzeugt wird,
F i g. 4 einen Längsschnitt eines Vibrationsmeßfühlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 5a graphisch Spannungsdaten, die sich bei Verwendung der in Fig. 3a gezeigten Anordnung entspre- -S chend einer Wegstrecke χ eines 10 mm langen Permanentmagneten in A'-A'-Rlchtung verändern, wobei die elektrische Spule an die in F i g. 2a gezeigte elektrische Verarbeitungsschaltung angeschlossen und an die elektrische Spule eine Impulsspannung mit einer derartigen Polarität angelegt ist, daß an dem gemäß Fig. 3a oberen Ende des weichmagnetischen Teils ein S-PoI erzeugt wird,

F i g. 5b graphisch den Daten nach F1 g. 5a entsprechende Daten für den Fall, daß an die elektrische Spule -¹« eine Impulsspannung mit einer derartigen Polarität angelegt wird, daß an dem gemäß Flg. 3a oberen Ende des weichmagnetischen Teils ein N-PoI erzeugt wird,

Fig. 6 eine Längsschnittansicht eines Vibrationsmeßfühlers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie A-A in Flg. 6,

F i g. 8 einen Schnitt längs der Linie B-B in F i g. 6,

Fig. 9 ein Schaltbild einer an den in den Flg. 6, 7 und 8 gezeigten Vibrationsmeßfühler angeschlossenen elektrischen Verarbeitungsschaltung zur Erzeugung einer Analogspannung mit einem Pegel, der von einer ermittelten Vlbrailonsampiitude abhängt,

Fig. 10a eine perspektivische Ansicht der Relativlagen zweier weichmagnetischer Teile und eines Permanemmagneten, wobei die Anordnung zur Ermittlung der Verzögerungszelt an zugeordneten elektrischen Spulen *<> dient.

Flg. KJb Spannungsdaten, die sich bei Verwendung der in Fig. 10a gezeigten Anordnung entsprechend einer Wegstrecke χ eines 30 mm langen Permanentmagneten in der A'-A'-Richtung verändern, wobei zwei elektrische Spulen in einem Abstand von 35 mm angeordnet und an die In Fig. 9 gezeigte elektrische Verarbeitungsschaltung angeschlossen sind und an die elektrischen Spulen jeweils eine Impulsspannung einer derartigen Polarität -»5 angelegt wird, daß an dem gemäß Fig. 10a oberen Ende des entsprechenden weichmagnetischen Teils ein S-PoI erzeugt wird,

Fig. 10c den Daten nach Fig. 10b entsprechende Daten bei Anlegen einer Impulsspannung an die elektrip sehen Spulen mit einer derartigen Polung, daß an dem gemäß Flg. 10a oberen Ende des entsprechenden weich-

j£' magnetischen Teils ein N-PoI erzeugt wird, ίο

[s Fig. 1Od den Daten gemäß Fig. 10b entsprechende Daten bei einem Abstand der elektrischen Spulen von

: ■ 50 mm, und

jfc Flg. IOe den Daten nach Fig. 10c entsprechende Daten bei einem Abstand der elektrischen Spulen von

s* 50 mm.

P Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des Vibrationsmeßfühlers 1 weist ein aus einem Harzmaterial ^

K geformtes hohles Gehäuse 2 auf, an dem mit Hilfe von Schrauben 4 ein Deckel 3 aus Harz befestigt ist. In dem

ί..; Gehäuse 2 sind eine große Kammer 5 sowie zwei mit der Kammer 5 in Verbindung stehende kleine Kammern

''-■ 6 und 7 gebildet. Das Gehäuse 2 1st so gestaltet, daß es an einem Zylinderblock 8 einer Fahrzeugmaschine

ί 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 als Spulenkerne zwei weich- ''"

'■^! magnetische Teile 11, zwei den ganzen Außenumfang des jeweiligen weichmagnetischen Teils 11 umgebende

Spulenkörper 12 und zwei an den jeweiligen Spulenkörpern 12 angebrachte elektrische Spulen 13 so angeordnet, dall sie eine Einheit 14 bilden.

; In der Mitte der großen Kammer 5 erstreckt sich In Axialrichtung ein hohler Halter 15 für einen Permanentmagneten 16. Der Permanentmagnet-Halter 15 ist derart geführt, daß sich sein eines Ende normalerweise inner- ^h<i halb der in dem Gehäuse 2 gebildeten Kammer 6 befindet, während sein anderes Ende normalerweise Innerhalb der in dem Deckel 3 gebildeten Kammer 7 liegt. Zum Halten des Permanentmagneten 16 ist in dem Halter 15 eine Kappe 17 eingepreßt. In den !deinen Kammern 6 und 7 sind jeweils Druckfedern 18 bzw. 19 angeordnet,

die die bewegliche Einheit aus dem Magnet-Halter 15, dem Permanentmagneten 16 und der Kappe 17 dcrari halten, daß sie sich bei Vibrationen In Axialrichtung bewegen kann.

Die Versetzungen des Permanentmagneten 16 werden mittels einer eine Auswerteschaltung umfassenden elektrischen Verarbeitungsschaltung erfaßt.

Bei dem Vibrationsfühler wird amorphes weichmagnetisches Material verwendet, das hohe Permeabilität (\i_max > 10³) und niedrige Koerzitivkraft (< 1,0 Oe) zeigt. Einige weichmagnetische Materialien sind in dem Artikel »Soft Magnetic Properties of Metallic Glasses - Recent Developments« J. Appl. Phys. 50(3) März 1979. Selten 1551 bis 1556 von Hasegawa u. a. beschrieben.

Fig. 2a zeigt eine Ausführungsform der elektrischen Verarbeitungsschaltung 100. Die Schaltung 100 weist einen Anschluß 101 auf, der an eine vorgegebene Gleichspannung in der Größenordnung von beispielsweise +5V angeschlossen Ist. Die Schaltung umfaßt 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-Translstor 103 ist bei positiver Impulsspannung leitend und wird gesperrt, wenn die Impulsspannung Massepegel annimmt. Dementsprechend wird auch ein dem Transistor 103 nachgeschaiteter PNP-Transistor 104 durchgeschaltct bzw. gesperrt. Damit liegt während der Zelt, In der die an den Eingangsanschluß 102 angelegte Impulsspannung positiv 1st, die Versorgungsspannung Va- an der elektrischen Spule 13, während bei Massepegel der Impulsspannung keine Spannung an der Spule anliegt.

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.

Fig. 2b zeigt graphisch die Kurvenformen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der in Flg. 2a gezeigten Schaltung. Eine Verzögerungszelt id 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 von der Lage des Permanentmagneten 16 ab.

Der Vibrationsmeßfühler 1 nach Fig. 1 1st mit der elektrischen Verarbeitungsschaltung 100 (Flg. 2a) verbunden, so daß ein elektrisches Signal erhalten wird, das die Lage des Permanentmagneten 16 Innerhalb des Vibrationsmeßfühlers 1 angibt. Zunächst wird dabei die Vlbration In eine Lageveränderung des Permanentmagneten 16 umgesetzt, die Ihrerseits In ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dies wird nun anhand der in den Flg. 3b bis 3d gezeigten Versuchsdaten näher beschrieben. Bei diesen Versuchen wurde gemäß der Darstellung in Fig. 3a das weichmagnetische Teil 11 fest angebracht und der Permanentmagnet 16 parallel zu dem Teil angeordnet. Die Af-A"-Achse wurde so gewählt, daß sie durch die Mitte des weichmagnetischen Teils 11 in Richtung senkrecht zur Längsrichtung des Teils 11 verlief, die die V-K-Achse darstellte. Als Ursprung wurde die Stelle gewählt, bei der der Permanentmagnet 16 sich auf der X-X-\ctisz befand. Dann wurden die Werte einer Spannung V_x und einer Verzögerungszeit td als Funktion der Wegstrecke y des Permanentmagneten 16 in der V-K-Rlchtung bestimmt. Die besonderen Angaben über den Versuchsaufbau bzw. das weichmagnetische Teil 11 sowie die erzielten Daten sind in der nachstehenden Tabelle 1 als Fälle Nr. 1 bis 3 aufgellstet.

Tabelle 1	Dicke a mm mm	b mm	Blatt anzahl	Spule 13	Permanent magnet 16	d mm	e mm	Ab stand	Meßvorr. u. Eing.-	Span- nungs-	Daten
	0,050 40	1,8	5	Windungs anzahl	C mm	5	4	r mm	Impuls- frequenz	po- lung
Fall- Weichmagnetisches Teii 11 Nr.	0,050 40	1,8	5	1000	10	5	4	5	Schal tung 100 5 kHz	S-N	Fig. 3b
Material (Atom- Gew-%)	0,050 40	1,8	5	1000	30	5	4	5	Schal tung 100 5 kHz	S-N	Fig. 3c
1 Fe₄₀Ni₃₈- Mo₄Bi₈ amorph	0,050 40	1,8	5	1000	30	5	4	5	Schal tung 100 5kHz	N-N	Fig. 3d
2 Fe₄₀Ni₃₈- Mo₄B₁₈ amorph	0,050 40	1,8	5	1000	10	5	4	X	Schal tung 100 5 kHz	S-N	Fig. 5a
3 Fe₄₀Ni₃₈- Mo₄B₁₈ amorph				1000	10			X	Schal tung 100 5 kHz	N-N	Fig. 5b
* Fe₄₀Ni₃₈- Mo₄B₁₈ amorph
S Fe₄₀Ni₃₈- Mo₄B₁₈ amorph

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 Welse bedeutet der Ausdruck »N-N« einen Anschluß der elektrischen Spule 13 an die elektrische Schaltung 100 in der Welse, daß an dem gemäß Fig. 3a oberen Ende des weichmagnetischen Teils 11 ein N-PoI erzeugt wird.

Wie aus den in Fig. 3b gezeigten Daten ersichtlich Ist, 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 Bereich der Wegstrecke ν des Magneten erzielt wird. Bei dem Fall Nr. 2 (Fig. 3c) ist der Bereich guter Linearität verhältnis- κι mäßig eingeengt, jedoch wird eine Spannung für verschiedene aufgeteilte Bereiche der Wegstrecke y erzielt. Daher wird ein Arbeitsbereich bzw. Wegbereich des Magneten 16 in dem Vibrationsmeßfühler 1 nach Fig. 1 so gewählt, daß die Spannung Vy gute Linearität in bezug auf die Wegstrecke bzw. Lage y des Magneten zeigt.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Vibrationsmeßfühler 1 Ist der Permanentmagnet 16 fest an einer Blattfeder 15' angebracht, die als Magnethalter wirkt, wobei die Achse des Magneten in einer K-K-Achse ausgerichtet ist, die senkrecht zu einer A'-A'-Achse steht, in deren Richtung sich die Blattfeder 15' bewegt, und wobei das weichmagnetische Teil 11 parallel zu der Achse des Magneten 16 angeordnet ist.

Sobald sich bei diesem Vibrationsmeßfühler die Blattfeder 15' bewegt, bewegt sich der Permanentmagnet 16 bezüglich des weichmagnetischen Teils 11 in der Richtung der in Fig. 3a gezeigten A'-A'-Achse. In den Fig. 5a und 5b sind Versuchsdaten dargestellt, die bei der derartigen Bewegung des Permanentmagneten 16 erzielt 2» werden. Verschiedene 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 wurden, 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 Richtung der X-X-Achse der Bereich relativ eingeengt ist, in dem eine Spannung Vx bzw. eine Verzögerungszelt id 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 Permanentmagnet 16 über diesen eingeengten Bereich bewegt.

Bei dem in den Fig. 6, 7 und 8 gezeigten Vibrationsmeßfühler 1 bewegt sich der Permanentmagnet 16 wie bei dem in Fig. 4 gezeigten Vibrationsmeßfühler entsprechend den Vibrationen in der Richtung der A'-A'-Achse, so daß er sich auf das weichmagnetische Teil 11 zubewegt bzw. sich von diesem entfernt. Ersichtlich ist dem .w ersten weichmagnetischen Teil 11 ein gesondertes weichmagnetisches Teil 29 unter Zwischensetzung des Permanentmagneten 16 gegenübergesetzt. Das weichmagnetische Teil 29 erstreckt sich durch einen Spulenkörper 30 hindurch, der eine elektrische Spule 31 trägt.

Fig. 9 zeigt eine elektrische Verarbeitungsschaltung 180, die in Übereinstimmung mit der Lage des Permanentmagneten 16 bei dem in den Fig. 6, 7 und 8 gezeigten Vibrationsmeßfühler 1 eine Analogspannung Vx erzeugt. Im einzelnen ist bei der Schaltung 180 der 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 //V3 und IN4 verstärkt und geformt, bevor sie an die Basis eines NPN-Transistors 121 angelegt wird. Damit ist bei positivem Pegel der Eingangsimpulsspannung IN der Transistor 103 durchgeschaltet, während der Transistor 4« 121 gesperrt 1st. Demzufolge ist während dieses Zeitintervalls der 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 Verzögerungszelt id\ gegenüber der abfallenden Flanke der Eingangsimpulsspannung IN in der Welse auftritt, daß die Verzögerungszeit dem Abstand x, des Permanentmagneten 16 von dem weichmagnetischen Tell Il entspricht.

An die andere elektrische Spule 31 wird eine Konstantspannung über einen PNP-Transistor 181 angelegt. Während der Zeit positiven Pegels der Eingangsimpulsspannung IN 1st der Transistor 103 durchgeschaltet, so daß ein invertierender Verstärker INS ein positives Ausgangssignal abgibt, welches seinerseits während dieser Zeit einen NPN-Transistor 182 durchschaltet, wodurch auch der Transistor 181 durchgeschaltet wird; der Tran- so sistor 181 wird gesperrt, wenn die Eingangsimpulsspannung IN Massepegel annimmt. Demzufolge wird an die zweite elektrische Spule 31 eine Konstantspannung angelegt, wenn an der ersten elektrischen Spule 13 keine Spannung anliegt, während die zweite elektrische Spule 31 spannungsfrei Ist, 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.

Die zweite Spule 31 ist an einen Widerstand 183 angeschlossen, an dem ein Spannungsimpuls mit einer Anstiegsflanke auftritt, die gegenüber der Anstiegsflanke der Eingangsimpulsspannung IN um ein Zeitintervall /ί/2 verzögert ist, das von dem Abstand x₂ des Permanentmagneten 16 von dem weichmagnetischen Teil 29 abhängt. Die an dem Widerstand 105 entstehende Spannung VxI wird an einen Belag eines Kondensators 184 angelegt, an dessen anderen Belag die an dem Widerstand 183 entstehende Spannung VxI angelegt wird. Da der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 16 einerseits und dem ersten bzw. dem zweiten weichmagnetischen Teil 11 bzw. 29 andererseits mit jci bzw. X₂ gegeben ist, wobei x, + Xi = k (konstant) gilt, und da die Spannungen KxI bzw. Vx2 zu den Größen xi bzw. Jf₂ proportional sind, entspricht die Potentialdifferenz an dem Kondensator 184 der Größe (xi -x₂).

Der Kondensator 184 bildet zusammen mit einem Widerstand 185 einen Integrator, so daß an dem Kondensator eine Spannung entsteht, die der Größe (xi-x₂) entspricht. Da X₂ = Zr-X₁ gilt, ist Xi-x₂ = 2xi-Ar. Daher entspricht die Spannung an dem Kondensator 184 der Größe 2xi. D.h., es wird eine Analogspannung erzielt, die dem Doppelten der Wegstrecke Xi des Permanentmagneten 16 in bezug auf das erste weichmagnetische Teil

11 entspricht.

Die beiden gegenpoligen Anschlüsse des Kondensators 184 sind mit den beiden Eingängen eines Rechenverstärkers 186 verbunden, der als Differenzverstärker gestaltet 1st. 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-Achse unter Verwendung einer in der Fig. 10a gezeigten Anordnung ermittelt, bei der die weichmagnetischen Teile 11 und 29 parallel zueinander fest angeordnet werden, 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 A^-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 α bis/hinsichtlich 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.

Tabelle 2

FaIl- Nr.	Weichmagnetische 11 und 29	Dicke mm	Teile	b mm	Blatt anzahl	Spulen 13,31	Permanent magnet 16	d mm	e mm	Ab stand	Meßvorr. u. Eing-	Span- nungs-	Daten
	Material (Atom- Gsw-%)	0,05	a mm	1,8	4	Windungs anzahl	C mm	5	4	f mm	Impuls- frequenz	po- lung
6	Fe₄₀Ni₃₈- Mo₄Bi₈ amorph	0,05	30	1,8	4	1000	30	5	4	35	Schal tung 180 5 kHz	S-N	Fig. 10b
7	Fe₄₀Ni₃₈- Mo₄Bi₈ amorph	0,05	30	1,8	4	1000	30	5	4	35	Schal tung 180 5 kHz	N-N	Fig. 10c
8	Fe₄₀Ni₃₈- Mo₄Bi₈ amorph	0,05	30	1,8	4	1000	30	5	4	50	Schal tung 180 5 kHz	S-N	Fig. 1Od
9	Fe₄₀Ni₃₈- Mo₄Bi₈ amorph	30		1000	30		50	Schal tung 180 5 kHz	N-N	Fig. 1Oe

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 -10 mm < χ < 10 mm erzielt, wie es In den FI g. 10b und 10c gezeigt ist. Bei einem vergrößerten Abstand / zwischen den Teilen 11 und 29 wird gemäß der Darstellung in Flg. 1Od bei einer S-N-Betriebsart eine verhältnismäßig gute Linearität In einem Bereich von -9 mm < χ < 9 mm erzielt, jedoch ist der Bereich guter Linearität im Vergleich zu dem bei einem kleineren Wert von/erzielten eingeengt. Ferner ist die Linearität im Vergleich zu der mit einem kleineren Wert von / erzielten verschlechtert. Gemäß der Darstellung in der F i g. 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 erzeugt, bei Lage des Magneten nahe dem Ursprung verringert ist. Da somit das Vx-x-Ansprechvermögen nicht nur von dem Abstand / 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 Welse erzielt werden.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen und Abwandlungen 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.

Aus der vorstehenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele und der Darstellung von Versuchsdaten 1st ersichtlich, daß der beschriebene Vibrationsmeßfühler ein starkes elektrisches Signal entsprechend den Vibrationen abgibt. Ferner wird bei dem beschriebenen Vibrationsmeßfühler die Versetzung des Permanentmagneten, die der Vibrationsbeanspruchung entspricht. In eine Verzögerungszelt td zwischen einem Eingangsimpuls einer elektrischen Spule und einem Stromimpuls über die Spule umgesetzt. Die Verzögerungszeil Kl wird zu einem analogen Signal verarbeitet. Auf diese Weise wird durch die elektrische Verarbeitung ein Vibrationsmeßsignal erzielt, das in hohem Ausmaß gegenüber Schwankungseinflüssen unempfindlich Ist und kaum Verschlechterungen unterliegt, wie sie beispielsweise durch mechanischen Abrieb hervorgerufen werden könnten. Da zwischen dem bewegbaren Permanentmagneten und der zugeordneten Spulenanordnung kein Verbin-

dungsmechanlsmus vorhanden ist, entsteht kein Spiel, so daß eine stabile bzw. gleichförmige Vibrationsermittlung erzielt wird. Weiterhin Ist der Aufbau der an den Fühler angeschlossenen elektrischen Verarbeitungsschaltung einfach.

Der beschriebene Vibrationsmeßfühler zeichnet sich weiter durch hohe mechanische Festigkeit, hohe Elasttzi- : tat und verbesserte Beständigkeit aus, die nur wenig von Temperaturänderungen beeinflußt wird. i

! Das weichmagnetische Teil weist vorzugsweise eine Querschnittsfläche auf, die so verringert ist, daß leicht

,; eine magnetische Sättigung erzielbar Ist. An dem weichmagnetischen Teil 1st eine elektrische Spule mit hoher

Windungsanzahl angebracht, so daß das weichmagnetische Tel! schon mit einer verhältnismäßig niedrigen Spannung bzw. mit einem verhältnismäßig schwachen Strom magnetisch gesättigt werden kann. Das weichmagnetl- !■ sehe Teil wird einem Magnetfeld mit einer Stärke ausgesetzt, die der Bewegung bzw. Versetzung des Magneten i^(|

entspricht.

¹ Die für die Sättigung des weichmagnetischen Teils (vom Augenblick des Anlegens einer Spannung an die an

p dem Teil angebrachte elektrische Spule an) erforderliche Zeit T kann annähernd folgendermaßen angegeben

i*. werden:

I ^|5

ψ- Ν

It T = -(0_m-0_x) (D

ti wobei /; die angelegte Spannung, N die Windungsanzahl der elektrischen Spule, 0_m den maximalen Fluß, der -<>

fe annähernd gleich dem Sättlgungsfluß Ist, und 0_X den durch ein äußeres Magnetfeld gebildeten Fluß bezeichnen.

js^:; Sobald sich die Stärke des Flusses 0_X, der dem weichmagnetischen Teil aufgeprägt wird, entsprechend einer

ÜJ Bewegung des Permanentmagneten ändert, ändert sich auch die Zelt T. Wenn somit der Permanentmagnet bei

?5 Vibrationen versetzt und damit eine Änderung des dem weichmagnetischen Teil aufgeprägten äußeren Flusses

I 0_X hervorgerufen wird, ändert sich auch die Dauer der Zelt T vom Anlegen einer Spannung an die elektrische -^s

I Spule an bis zum Erreichen einer vorbestimmten Spulenstrom-Stärke. Dementsprechend besitzt der dem erfin-

fr? dungsgemäße Vibrationsmeßfühler eine elektrische Schaltung oder eine elektronische Halbleitereinrichtung, die

I die Größe T ermittelt und ein diese Größe darstellendes integriertes elektrisches Signal in der Form eines Span-

r· nungspegels abgibt.

SI Da das amorphe magnetische Material durch Abschrecken flüssigen Metalls gewonnen werden muß, kann es M

zu einem dünnen Blatt geformt werden. Es zeigt Ferromagnetismus und hohe magnetische Sättigung, hohe Permeabilität sowie geringe Koerzitivkraft, während es sehr hohe Bruchfestigkeit, hervorragende Elastizität und hervorragende Beständigkeit besitzt. Diese Eigenschaften des amorphen Materials sind außerordentlich nutzvoll. Der Einsatz des Materials erleichtert die Signalverarbeitung und steigert die Genauigkeit hinsichtlich der ■j Bestimmung der Größe T. Ferner wird in mechanischer Hinsicht der Herstellungsvorgang vereinfacht, während .'5

die Widerstandsfähigkeit gegenüber Vibrationen und Stößen verbessert Ist.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vlbrationsmeßfühler mit einem in einem Gehäuse, das an einen vibrierenden Körper koppelbar Ist, über eine Dämpfungsvorrichtung beweglich aufgehängten Element, das bei Vibrationen Bewegungen gegenober dem Gehäuse ausführt, einer nahe dem Element gehäuseffcöt angeordneten, mit dem Element elektromagnetisch zur Wechselwirkung gelangenden, einen Spulenkern aufweisenden Spulenanordnung, die Teil einer einen Eingang und einen Ausgang aufweisenden Spulenschaltung ist, deren Eingang von einer Spannungsquelle gespeist wird und deren Ausgang mit einer Auswerteschaltung, die die Vlbrationsamplituden aber auftretende Induktivitätsanderungen ermittelt, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das

in beweglich aufgehängte Element als Permanentmagnet (16) ausgebildet Ist, daß der von der Spulenanordnung (13; 13, 31) umgebene, gehäusefeste Spulenkern (11; 11, 29) aus amorphen weichmagnetischem Material besteht, daß die Spannungsquelle den Eingang der Spulenschaltung mit einer Impulsspannung speist und daß die Auswerteschaltung (100; 180) als Integrierschaltung derart ausgebildet ist, daß sie In Abhängigkeit von der jeweiligen Vibrationsamplitude auftretende Impulsbreitenveränderungen am Ausgang der Spulenschal-

i> tung In entsprechende Gleichspannungen umsetzt.

2. Vlbrationsmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (16) in Längsrichtung magnetisiert und In dieser Richtung beweglich Ist sowie parallel zum Spulenkern (11; 11, 29) liegt.

3. Vibrationsmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung aus 2" einer einzigen Spule (13) besteht, an deren Ausgang einerseits ein mit Masse verbundener Widerstand (105) und andererseits eine ebenfalls mit Masse verbundene RC-Relhenschaltung (106, 107) angeschlossen sind, wobei die Gleichspannung am Verbindungspunkt zwischen Widerstand (106) und Kondensator (107) der RC-Relhenschaltung abgreifbar 1st.

4. Vlbrationsmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung aus ?* zwei Spulen (13, 31) besteht, die mit komplementären Impulsspannungen gespeist werden, und daß die

Auswerteschaltung (180) jeweils mit einem Ausgang einer Spule verbundene, mit ihren anderen Abschlüssen an Massepotentla! Hegende Widerstände (105, 183), eine zwischen die beiden Spulenausgange geschaltete RC-Relhenschaltung sowie einen Differenzverstärker (186) aufweist, dessen beide Eingange mit den Anschlüssen des Kondensators (184) der RC-Relhenschaltung (184, 185) verbunden sind und dessen 3" Ausgangssignal das Ausgangssignal der Auswerteschaltung bildet.