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Stellungsfühler
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stellungsfühler zur Umsetzung
einer Versetzung eines bewegbaren Teils in ein elektrisches Signal.
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Bin herkömmlicher Stellungsfühler ist mit einem Potentiometer ausgestattet,
dessen Schleifer auf übliche Weise mit einem bewegbaren Teil verbunden ist. Bei
einem Stellungsfühler dieser Art wird das bewegbare Teil im Ansprechen auf eine
von außen her ausgeübte Kraft versetzt wobei das Potentiometer eine im wesentlichen
zu der Versetzung des bewegbaren Teils proportionale analoge Spannung ergibt. Es
wurde jedoch festgestellt 9 daß die Abriebfestigkeit eines Dünnfilm-Widerstands
in dem Potentiometer gering ist, so daß der Wert einer der Schleiferstellung entsprechenden
Ausgangs spannung nicht gleichmäßig ist und das bewegbare Teil nicht in Konstantandruckberührung
mit dem Schleifer gebracht werden kann9 so daß es nicht möglich ist9 bei Vibrationen
oder Stößen den Kontakt zwischen dem Schleifer und dem Dünnfilm-Widerstand aufrechtzuerhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellungsfühler zur
Umsetzung einer mechanischen Versetzung in ein elektrisches Signal zu schaffen,
bei dem die Größe der Versetzung eines bewegbaren Glieds mit Hilfe eines berührungsfreien
mechanisch-elektrischen Umsetzmechanismus gemessen wird.
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Ferner soll der erfindungsgemäße Stellungsfühler eine genaue Messung
der Versetzung des bewegbaren Glieds unter Verwendung eines einfachen elektrischen
Signalverarbeitungssystems und einer einfachen logischen Abnahmeschaltung mit einer
integrierten Schaltung hohen Integrationsgrad ermöglichen. Der erfindungsgemäße
Stellungsfuhler soll mindestens ein bewegbares Teil, einen Permanentmagneten, ein
Teil aus magnetisch weichem Material und eine elektrische Spule aufweisen, die derart
um das magnetisch weiche Material gewickelt ist, daß die Größe der Versetzung des
bewegbaren Teils leicht und genau meßbar ist.
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Vor der Beschreibung von Ausführungsbeispielen des Stellungsfühlers
wird zur Verdeutlichung der Aufgabe, der Merkmale und des Aufbaus des Stellungsfuhlers
allgemein die Anwendung von amorphen magnetischen Materialien bei dem erfindungsgemäßen
Stellungsfühler erläutert.
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Im folgenden ist T eine Zeit, die dafür notwendig ist, von einem
Zeitpunkt an, zu dem an eine um ein magnetisch weiches Material gewickelte Spule
elektris-che Leistung angelegt wird, das magnetisch weiche Material magnetisch zu
sättigen. Die Zeit T ist durch die Gleichung N T (»m ax) (1) E gegeben, wobei E
die an die elektrische Spule angelegte Spannung ist, N die Windungszahl der Spule
ist, Am der maximale Magnetfluß ist (der annähernd mit dem Sättigungs-Magnetfluß
identisch ist) und der auf ein
äußeres Magnetfeld zurückzuführende
Magnetfluß ist.
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Aus der vorstehenden Gleichung ist ersichtlich, daß sich T ändert,
wenn sich im Ansprechen auf eine Versetzung eines bewegbaren Glieds ßx ändert.
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Wenn somit ein Permanentmagnet entsprechend einer Versetzung eines
an dem Magneten angeschlossenen bewegbaren Teils versetzt wird, so daß eine Änderung
des an einem magnetisch weichen Teil entstehenden äußeren Magnetflusses #x verursacht
wird, ändert sich die Zeit T nach dem Anlegen einer Spannung an die Spule bis zum
Erreichen eines vorgegebenen Spulenstrom-Pegels.
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Demgemäß kann bei dem erfindungsgemäßen Stellungsfühler eine elektrische
Schaltung oder eine elektronische Halbleitereinrichtung dafür verwendet werden,
den Wert der Zeit T zu bestimmen und ein elektrisches Signal in der Porm eines Spannungspegels
oder eines digitalen Codes abzugeben, das diesen Wert anzeigt. Zur Bildung des magnetisch
welchen Teils wird ein amorphes magnetisches Material verwendet. Da jedoch ein amorphes
magnetisches Teil durch Abschrecken eines Metalls aus der Flüssigpha se gewonnen
werden muß, hat das Teil immer die Form eines dünnen Blatts. Es zeigt Ferromagnetismus
und hat einen hohen magnetischen Sättigungswert, eine hohe Permeabilität zumal >103)
und eine geringe Koerzitivkraft < 1,0 Oe), während es sehr hohe Bruchfestigkeit,
hervorragende Elastizität und hervorragende Dauerhaftigkeit zeigt. Diese Eigenschaften
des amorphen Materials sind für die Anwendung bei dem erfindungsgemaßen Stellungsfühler
vorteilhaft. Durch die Verwendung des Materials wird vorteilhafterweise die Signalverarbeitung
erleichtert Und die Genauigkeit hinsichtlich der Bestimmung des.
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Werts der Zeit T gesteigert. Ferner ist in mechanischer Hinsicht die
Herstellung vereinfacht, während die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen
bzw, Vibrationen oder Stößen verbessert ist. Einige magnetisch weiche
Materialien
sind in dem Artikel "Soft Magnetic Properties of Metallic Glasses - Recent Developments"
J. Appl.
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Phys. 50(3), März 1979, Seiten 1551-1556 von Hasegawa u.a. beschrieben.
Magnetisch weiche Materialien werden unter der Handelsbezeichnung MEDGIAS (TM) von
der Allied Chemical Corp. vertrieben.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht eines Stellungsfühlers gemäß
einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Fig. 2a ist ein Schaltbild einer an den in Fig. 1 gezeigten Stellungsfühler
angeschlossenen elektrischen Verarbeitungsschaltung zur Abgabe eines Analogspannangs-Signale
mit einem Pegel, der einer gemessenen Verstellung entspricht.
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Fig. 2b ist eine graphische Darstellung, die die Kurvenformen von
Eingangs- und Ausgangssignalen der in Fig. 2a gezeigten Verarbeitungsschaltung zeigt.
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Fig. 3a ist ein Schaltbild einer weiteren, an den in Fig. 1 gezeigten
Stellungsfühler angeschlossenen elektrischen Verarbeitungsschaltung für die Abgabe
von Impulsen, die eine einer gemessenen Verstellung entsprechende Verzögerungszeit
angeben.
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Fig. 3b ist eine graphische Darstellung-, die die Kurvenformen von
Eingangs- und Ausgangssignalen der in Fig. 3a gezeigten Verarbeitungsschaltung zeigt.
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Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer Zählerschaltung, die eine Verzögerungszeit
zwischen Bingangs- und Ausgangsimpulsen der Verarbeitungsschaltung nach Fig. 3a
in einen digitalen Code umsetzt.
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Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer an den in Fig.
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1 gezeigten Stellungsfühler angeschlossenen elektronischen Verarbeitungseinheit
zur Ermittlung einer Verzögerungszeit vom Zeitpunkt des Anlegens eines Spannungsimpulses
an eine elektrische Spule des Stellungsfühlers bis zur Anstiegsflalike eines durch
die elektrische Spule fließenden S-troms, wobei der Spannungsimpuls von einem Einzelbaustein-Nikrocomputer
angelegt wird.
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Fig. 6a ist eine perspektivische Ansicht, die eine Anordnung eines
magnetisch weichen Teils und eines Permanentmagneten veranschaulicht, welche bei
der Ermittlung einer Verzögerungszeit verwendet wird, die sich entsprechend der
Relativlage des lZermanentmagneten gegenüber dem magnetisch weichen Teil verändert.
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Fig. 6b ist eine graphische Darstellung, die Spannungsdaten über
eine Verzögerungszeit zeigt, welche sich entsprechend einer Wegstrecke y eines 10
mm langen Permanentmagneten in Y-Y-Richtung unter Verwendung der in Fig. 6a gezeigten
Anordnung ändern, wenn eine elektrische Spule an die in Fig. 2a gezeigte elektrische
Verarbeitungsschaltung angeschlossen ist und an die elektrische Spule Spannungsimpulse
derart angelegt werden, daß an dem gemäß Fig. 6a oberen Ende des magnetisch weichen
Teils ein S-Pol erzeugt wird.
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Fig. 6c ist eine graphische Darstellung, die den nasen nach Fig.
6b entsprechende Daten für einen 30 mm langen Permanentmagneten zeigt.
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Fige 6d ist eine graphische Darstellung, die den in Fig. 6b entsprechende
Daten für einen 30 mm langen Permanentmagneten in dem Pall zeigt, daß die Spannungsimpulse
an die elektrische Spule mit einer derartigen Polung angelegt werden, daß an dem
gemäß Fig. 6a oberen Ende des magnetisch weichen Teils ein N-Pol erzeugt wird.
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Fig. 7a ist eine I,ängsschnittansicht eines Stellungsfühlers gemäß
einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Fig. 7b ist eine Seitenansicht des in Pig. 7a gezeigten Stellungsfühlers.
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Fig. 7c ist eine Schnittansicht längs einer Linie B-B in Fig. 7b.
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Fig. 7d ist eine Schnittansicht längs einer Linie A-A in Fig. 7a.
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Fig. 8a ist eine graphische Darstellung, die einer Verzögerungszeit
entsprechende Spannungsdaten zeigt, welche sich entsprechend einer Wegstrecke x
eines 10 mm langen permanentmagneten in X-X-Richtung verändert, wenn unter Anschluß
der elektrischen Spule an die in Fig. 2a gezeigte elektrische Verarbeitungsschaltung
die in Fig.
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6a gezeigte Anordnung verwendet wird und an die elektrische Spule
Spannungsimpulse mit einer derartigen Polung angelegt werden, daß an dem gemäß Fig.
6a oberen Ende des magnetisch weichen Teils ein S-Pol erzeugt wird.
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Pig. 8b ist eine graphische Darstellung, die Verzögerungszeit-Daten
für den Pall zeigt, daß unter Verwendung der in Fig. 6a gezeigten Anordnung und
Bewegung des Permanentmagneten in der X-X-Richtung die Spule an die in Fig. 3a gezeigte
elektrische Verarbeitungsschaltung angeschlossen wird, wobei Is,ingangs- und Ausgangsimpulse
an ein Synchroskop angelegtwerden und-Spannungsimpulse an dieelektrische Spule so
angelegt werden, daß an dem gemäß Fig. 6a oberen Ende des magnetisch weichen Teils
ein S--Pol erzeugt wird.
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Fig. 8c ist eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig.
8a entsprechende Daten in dem Fall zeigt, daß die Spannungsimpulse an die elektrische
Spule mit einer derartigen Polung angelegt werden, daß an dem
gemäß
Fig. 6a oberen Ende des magnetisch weichen Teils ein N-Pol erzeugt wird.
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Fig. 8d ist eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig.
8b entsprechende Daten in dem Fall zeigt, daß Spannungsimpulse an die elektrische
Spule mit einer derartigen Polung angelegt werden, daß an dem gemäß Fig. 6a oberen
Ende des magnetisch weichen Teils ein N-Pol erzeugt wird.
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Fig. 8e ist eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig.
8a entsprechende Daten bei Verwendung eines 30 mm langen Permanentmagneten zeigt.
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Figo 8f ist eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig.
8b entsprechende Daten bei Verwendung eines 30 mm langen Permanentmagneten zeigt.
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Pig 9a ist eine Längsschnittansicht eines Stellungsfühlers gemäß
einem dritten Ausführungs-beispiel.
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Fig. 9b ist eine Seitenansicht des in Fig. a gezeigten Stellungsfühlers.
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Fig. 9c ist eine Schnittansicht längs einer Linie B-B in Fig. 9b.
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Fig. 9d ist eine Schnittansicht längs einer Linie A-A in Fig. 9a.
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Fig. 10a ist ein Schaltbild einer an den in Figo 9 gezeigten Stellungsfühler
angeschlossenen elektrischen Verarbeitungsschaltung zur Abgabe einer analogen Spannung
mit einem Pegel, der von einer gemessenen Verstellung abhängt.
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Fig. 1Ob ist ein Blockschaltbild einer an den in Fig 9 gezeigten
Stellungsfühler angeschlossenen elek-
trischen Verarbeitungsschaltung
zur Abgabe eines digitalen Codes, der eine gemessene Verstellung angibt.
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Fig. 10c ist ein Blockschaltbild einer an den in Fig. 9 gezeigten
Stellungsfühler angeschlossenen elektronischen logischen Verarbeitungseinheit zur
Abgabe eines digitalen Codes, der eine gemessene Verstellung angibt.
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Pig. 11a ist eine perspektivische Ansicht, der die relative Anordnung
eines Paars magnetisch weicher Teile und eines Permanentmagneten zeigt, die zur
Bestimmung einer Verzögerungszeit an zugeordneten elektrischen Spulen in Übereinstimmung
mit der Lage des Permanentmagneten in Bezug auf die Teile verwendet wird.
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Pig. 11b ist eine graphische T)arstellung, die einer Verzögerungszeit
entsprechende Spannungsdaten zeigt, die sich bei Verwindung der in Fig. 11a gezeigten
Anordnung und eines Paars in einem Abstand von 35 mm stehender elektrischer Spulen,
die an die in Fig. 10 gezeigte elektrische Verarbeitungsschaltung angeschlossen
sind, in Übereinstimmung mit einer Wegstrecke x eines 30 mn langen Permanentmagneten
in der X-X-Richtung verändert, wobei an die elektrischen Spulen Spannungsimpulse
mit einer derartigen Polung angelegt werden, daß an den gemäß Fig. 11a oberen Enden
der magnetisch weichen Teile jeweils ein S-Pol erzeugt wird.
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Fig. 11c ist eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig.
11b entsprechende Daten für den Fall zeigt, daß die Spannungsimpulse an die elektrischen
Spulen mit einer derartigen Polung angelegt werden, daß an den gemäß Fig. 11a oberen
Enden der magnetisch weichen Teile jeweils ein N-Pol erzeugt wird.
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Fig. lid ist eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig.
lib entsprechende Daten für den Fall zeigt, daß die elektrischen Spulen einen Abstand
von
50 mm haben.
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Pig, 11e ist eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig.
11c entsprechende Daten für den Fall zeigt, daß die elektrischen Spulen einen Abstand
von 50 mm haben.
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Fig. 12 ist eine graphische Darstellung 9 die den Zusammenhang zwischen
aus der in Fig0 2a gezeigten elektrischen Verarbeitungsschaltung abgegebenen Spannungsdaten
für die Verzögerungszeit und der Verstellung bzw0 Wegstrecke x des Permanentmagneten
in der X-X-Richtung bei der in Fig. 6a gezeigten Anordnung fiir unterschied liche
magnetisch weiche Teile veranschaulicht0 In der Zeichnung sind durchgehend zur Bezeichnung
identischer oder einander entsprechender Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet;
im einzelnen zeigt die Fig. 1 einen Stellungsfühler 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
mit einem Gehäuse 29 in welchem ein permanentmagnet 5 so angeordnet ist, daß er
gegen ein Verbindungsglied 4 stößt0 An dem Verbindungsglied 4 ist mit einem Ende
ein bewegbares Glied 3 befestigt, dessen anderes Ende nach außen ragt, so daß bei
einer Versetzung bzw. Verstellung des bewegbaren Glieds 3 durch eine an dem nach
außen ragenden Teil des bewegbaren Glieds ausgeübte äußere Kraft der Permanentmagnet
5 in der durch den Pfeil dargestellten Richtung bewegt yrird Der Permanentmagnet
5 ist mittels einer Peder 6 vorgespannt, die den Permanentmagneten 5 in seine ursprüngliche
Stellung zurückbringt, wenn die äußere Kraft entfällt Parallel zu dem Permanentmagneten
5 ist in Abstand zu diesem ein magnetisch weiches Teil 7 angeordnet0 Eine Kunstharzplatte
89 an der das magnetisch weiche Teil 7 angebracht ist, verhindert eine Verformung
des magnetisch weichen Teils 7. Um den Aufbau aus dem Teil 7 und der Platte bzw.
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Schutzvorrichtung 8 herum ist eine Spule 9 gewickelt, deren eines
Ende 9a zusammen mit einem Ende 8a der
Platte 8 mit Hilfe eines
Niets an einem Ende 10a eines Anschlusses 10 befestigt ist, während die anderen
Enden 9b der Spule 9 bzw. 8b der Platte 8 gleichermaßen an einem Ende 10b eines
zweiten Anschlusses 10 befestigt sind.
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';wenn bei dieser Anordnung das bewegbare Glied 3 und der permanentmagnet
5 unter Kraftanwendung in die in Fii. 1 durch den 1'feil angegebene Richtung bewegt
werden, erfaßt das magnetisch weiche Teil 7 eine derartige Versetzung bzw. Verstellung
des bewegbaren Glieds 3 und bewirkt eine Umsetzung der Versetzung in ein elektrisches
Signal. Die Versetzung des Permanentmagneten 5 wird mittels einer elektrischen Verarbeitungsschaltung
und/oder einer elektronischen logischen Verarbeitungseinrichtung bzw. Verarbeitungseinheit
ermittelt.
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Die Fig. 2a zeigt eine Form einer elektrischen Verarbeitungsschaltung
100. Die Schaltung 100 hat einen Anschluß 101, der an eine vorgegebene Versorgungs-Gleichspannung
Vcc in der Größenordnung von beispielsweise +5 V anschließbar ist. Perner hat die
Schaltung einen ingangsanschluß 102, an den Spannungsimpulse mit einer Frequenz
in einer 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 durchgeschaltet, während der die Impulsspannung positiv bleibt,
und wird gesperrt, wenn die Impulsspannung Massepegel annimmt. Wenn der Transistor
103 durchgeschaltet bzw. gesperrt wird, wird ein PNP-Transistor iO4 durchgeschaltet
bzw. gesperrt. Daher wird während der Zeit des Anlegens positiver Impuls spannung
an den Eingangsanschluß 102 an die elektrische Spule 9 die Versorgungsspannung Vcc
angelegt, während bei Massepegel der Impulsspannung keine Spannung angelegt wird.
An einem Widerstand 105 wird eine zu dem über die-Spule 9 fließenden Strom proportionale
Spannung erzeugt, die mittels eines Integrators aus einem Widerstand 106 und einem
Kondensator 107 integriert wird, so daß an einem Ausgangsanschluß 1o8 eine integrierte
spannung auftritt.
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T)ie Fig. 2b zeigt graphisch die Kurvenformen der Fingangs- und Ausgangsspannungen
der in Fig. 2a gezeigten Schaltung. Die Verzögerungszeit td von der Anstiegsflanke
der Eingangsspannung IN bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Spannung an dem Widerstand
105 einen vorgegebenen pegel übersteigt, sowie die integrierte Spannung Vy bzw.
Vx, die ein Integral der Spannung an dem Widerstand 105 darstellt, hängen beide
von der Lage des Permanentmagneten 5 ab.
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Die Fig. 3a zeigt eine weitere elektrische Verarbeitungsschaltung
120. In diesem Fall werden ein NPN-Transistor 103 und ein PNP-Transistor 104 während
der Zeitdauer positiver Eingangsspannung IN durchgeschaltet, wodurch die Versorgungsspannung
Vcc an die Spule 9 angelegt wird. Während der Zeit des Massepegels der Eingangsspannung
IN sind die Transistoren 103 und 104 gesperrt. Ein Paar von N-Kanal-Sperrschicht-Peldeffekttransistoren
FET 1 und FET 2 bildet eine Konstantstromquelle, die einen konstanten Stromfluß
über die Spule aufrechterhält. Die Stärke des über den Feldeffekttransistor FET
2 fließenden Stroms kann mittels eines veränderbaren Widerstands 122 eingestellt
werden. Die an dem mit den Feldeffekttransistoren FET 1 und FET 2 verbundenen Anschluß
der Spule entstehende Spannung wird einem Paar von invertierenden Verstärkern IN
1 und IN 2 zugeführt, wo sie verstärkt und (zu Impulsen) geformt wird.
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Die Fig. 3b zeigt graphisch die Kurvenformen der Singangs- und Ausgangsspannungen
der Schaltung nach Fig.
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Da. Die Schaltung 120 gibt Ausgangsspannungsimpulse OUT ab, die in
Bezug auf jeweils entsprechende Eingangsimpulse IN um eine Verzögerungszeit td verzögert
sind 9 wobei die Dauer der Verzögerungszeit von der Lage des Per manentmagneten
5 abhängt.
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Die Fig. 4 zeigt eine Zählerschaltung 1409 die den Wert der Verzögerungszeit
td in einen entsprechenden
digitalen Code umsetzt. Bei der Schaltung
nach Fig. 4 wird von der Anstiegsflanke einer Eingangsimpulsspannung IN ein Flipflop
Pl gesetzt, wodurch dessen Q-Ausgangssignal auf hohen Pegel "1" wechselt, durch
den ein UND-Glied Al zum Durchlaß von mittels eines Taktimpulsoszil lators 141 erzeugten
Impulsen an einen Zählimpulseingang CK eines Zählers 142 durchgeschaltet wird. Ein
Ausgangsimpuls OUT und das Q-Ausgangssignal des Flipflops F1 werden an ein UND-Glied
A2 angelegt, das ein Signal hohen Segels "1" abgibt, wenn der Ausgangsimpuls OUT
auf hohen Pegel ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Flipflop F1 rückgesetzt,
wodurch sein Q-Ausgangssignal auf niedrigen Pegel II "O" zurückkehrt. Dadurch wird
das UND-Glied Al gesperrt und damit die Zufuhr von Taktimpulsen zu dem Zähler 142
unterbrochen. Wenn das UND-Glied A2 das Ausgangssignal mit dem hohen Pegel "1" abgibt,
wird ein den Zählstand des Zählers 142 darstellender Code in einen Zwischenspeicher
143 eingespeichert. Nach dem Rücksetzen des Flipflops F1 und dem Beschicken des
Zwischenspeichers 143 mit dem Zählstand-Code läßt ein UND-Glied A3 vaktimpulse zum
Löschen des Zählers 142 durch. Ein Ausgangscodesignal des Zwischenspeichers 143
gibt die Anzahl der während des Zeitintervalls der Verzögerungszeit td durchgelassenen
Taktimpulse an und stellt damit die Dauer der Verzögerungszeit td dar.
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Eine in der Fig. 5 gezeigte elektronische Verarbeitungseinheit 160
hat einen Einzelbaustein-Mikrocomputer (integrierte llalbleitereinheit mit hohem
Integrationsgrad, LSI) 161, einen Verstärker 162, einen N-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistor
FET 1, der als Konstantstromquelle wirkt, einen Widerstand 163, einen Kondensator
164, einen Verstärker 165 und einen Taktimpulsoszillator 166. Die Zusammenschaltung
aus dem Widerstand 163 und dem Kondensator 164 bildet ein Filter, das die Wirkung
von Spannungsschwingungen mit Frequenzen unterdrückt, die höher als die Frequenz
der Eingangs- und der Ausgangsimpulse sind. Der Mikrocomputer 161 bildet auf-
grund
der von dem Taktimpul.soszillator 166 erzeugten Taktimpulse Tmpulse mit einer vorgegebenen
Frequenz in einem Bereich von 5 bis 30 kHz und führt diese Impulse dem Verstärker
162 zu. Andererseits überwacht der Nikrocomputer 161 die an dem Verbindungspunkt
zwischen dem N-Kanal-Feldeffekttransistor FET 1 und einem Ende der Spule entstehende
Spannung bzw. die Ausgangsspannung des Verstärkers 164 und zählt die Taktimpulse,
die während der Zeitdauer von der Anstiegsflanke des vom Mikrocomputer abgegebenen
Impulses bis zum Anstieg der Ausgangsspannung des Verstärkers 165 auf einen vorgegebenen
pegel erzeugt werden. Dieses Zeitintervall entspricht der Verzögerungszeit td, für
deren Wert der Mikrocomputer ein Ausgangseodesignal bildet.
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Gemäß den vorangehenden Ausführungen kann der Stellungsfühler 1 nach
Fig. 1 mit mancherlei elektrischen Verarbeitungsschaltungen oder einer elektronischen
logischen Verarbeitungseinheit verbunden werden, um damit ein elektrisches Signal
zu liefern, das die Lage des Permanentmagneten 5 in dem Stellungsfühler 1 angibt.
Die Verwendung des in Fig. 1 gezeigten Stellungsfühlers in Verbindung mit den elektrischen
Verarbeitungsschaltungen 100, 120 und 140 oder der logischen Verarbeitungseinheit
160 zur Abgabe eines die Versetzung des bewegbaren Glieds 3 darstellenden elektrischen
Signale wird nun erläutert.
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Die Umsetzung der Lage des Permanentmagneten 5 in ein elektrisches
Signal wird nun anhand von Versuchsdaten erläutert, die in den Fig. 6b bis 6d dargestellt
sindb Bei diesen Versuchen wurde das magnetiech weiche Teil 7 fest an einem Tisch
angebracht, wie es in der Fig. 6a dargestellt ist, und parallel zu dem Teil der
Permanentmagnet 5 angeordnet Eine X-X-Achse wurde so gewählt, daß sie quer durch
die Längsmitte des magnetisch weichen Teils 7 in der zu dessen Längsrichtung senkrechten
Richtung verläuft. Als Ursprung einer zu der X-X-Achse senkrechten Y-Y-Achse wurde
hinsichtlich des
Permanentmagneten 5 die Stelle gewählt, die an
derX-X-Achse liegt. Danach wurden Werte der Spannung Vy und der Verzögerungszeit
td als Funktion der Wegstrecke bzw. des Wegs y des Permanentmagneten 5 in der Y-Y-Richtung
ermittelt. Die besonderen Werte der verschiedenartigen Parameter und das Material
des magnetisch-weichen bzw.
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weichmagnetischen Teils sowie die erzielten Daten sind in der nachstehenden
Tabelle 1 als Fälle Nr. 1 bis 3 aufgelistet.
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In der Tabelle bedeutet in der mit "Spannungspolung" bezeichneten
Spalte die Angabe "S-N" einen Anschluß der Spule 9 an die elektrische Schaltung
100 oder 120 in der Weise, daß an dem oberen Ende des magnetisch weichen Teils 7
ein S-Pol erzeugt wird. Gleichermaßen bedeutet der Ausdruck "N-N", daß die Spule
9 an die elektrische. Schaltung 100 oder 120 so angeschlossen ist, daß an dem oberen
Ende des magnetisch weichen Teils ein N-Pol erzeugt wird.
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Tabelle 1
| mass Magnetisch weiches Teil 7 Spule 9 |
| Nr. Material I)icke a b Blatt- Windungs |
| Atom-Gew.% mm mm mm anzahl anzahl |
| 1 Fe40Ni38Mo4B18 0,050 40 1,8 5 1000 |
| amorph |
| 2 " " " " " " |
| 3 " " " " " " |
| 4 " " " " " " |
| 5 " " " " " " |
| 6 " " " " " " |
| 7 " " " " " " |
| 8 " " " " " " |
| 9 " " " " " " |
| 14 Fe40Ni40P14B6 0,058 40 1,8 5 1000 |
| amorph |
| 15 " " " " " " |
| 16 Ni80Fe16Mo4 0,200 40 5 2 1000 |
| µ-Metall |
| 17 " " " " " " |
| 18 Ni80Fe20 0,100 40 5 2 1000 |
| Super- |
| Permalloy |
| 19 " " " " " " |
Tabelle 1 (Fortsetzung)
| Permanent- Ab- Meßvorr. |
| Fall- Spannungs- |
| magnet 5 stand u. Eingangs- Daten |
| Nr. polung |
| Impulsfre- |
| mm mm mm mm |
| 1 10 5 4 5 Schaltung 100 S-N Fig.6 |
| 5 kHz |
| 2 30 " " " " " Fig. 6c |
| 3 30 " " " " N-N Fig. 6d |
| 4 10 " " X " S-N Fig. 8a |
| 5 10 " " X Schaltung 120 S-N Fig. 8b |
| u. Synchroskop |
| 5 kHz |
| 6 10 " " X Schaltung 100 N-N Fig. 8c |
| 5 kHz |
| 7 10 " " X Schaltung 120 N-N Fig. 8d |
| u. Synchroskop |
| 5 kHz |
| 8 30 " " X " S-N Fig. 8c |
| 9 30 " " X " N-N Fig. 8f |
| 14 30 5 4 X Schaltung 100 S-N Fig. 15 |
| A1 |
| 15 " " " X " N-N Fig. 15 |
| A2 |
| 16 30 5 4 X Schaltung 100 S-N Fig. 15 |
| 5 kHz B1 |
| 17 " " " X " N-N Fig. 15 |
| B2 |
| 18 " " " X " S-N Fig. 15 |
| C1 |
| 19 " " " X " N-N Fig. 15 |
| C2 |
Wie für Fall Nr.1 nus indigo 6b gezeigten Daten ersichtlich ist,
kann eine Spannung Vy mit sehr hoher Genauigkeit für einen Weg y des Magneten von
0 mm bis +14 mm oder von -1 mm bis -15 mm und vorzugsweise von +2 mm bis +12 mm
oder von -3 mm bis -13 mm in Richtung der Y-Y-Achse erzielt werden. Wie auch bei
dem Fall Nre 3 (Fig0 6d) ersichtlich ist; kann eine Spannung Vy hoher Genauigkeit
für einen Weg y des Magneten über einen im Vergleich zu dem Fall Nr. 1 erweiterten
Bereich erzielt werden. Bei dem Fall Nr. 2 (Fig. 6c) ist der Bereich gu ter Linearität
in seiner Breite relativ eingeengt 9 jedoch verteilt sich die Spannung auf verschiedene
Bereiche des Wegs y. Damit wird ein Arbeitsbereich des Permanentmagneten 5 in dem
Stellungsfühler 1 nach Fig. 1 so gewählt, daß die Spannung Vy eine gute Linearität
in Bezug auf den Weg bzw. die Lage y des Magneten 5 zeigt0 In den Fig. 7a bis 7d
ist ein Stellungsfühler 9 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigte Ein Gehäuse
2 umgibt eine Kammer 21, in der ein Permanentmagnet 5 und ein magnetisch weiches
Teil 7 parallel zueinander angeordnet sind. Der Permanentmagnet 5 ist mit einem
bewegbaren Glied 3 versehen, während das magnetisch weiche Teil 7 an seiner Außenfläche
mit einem Spulenkörper 20 versehen ist, um den eine elektrische Spule 9 gewickelt
ist. Ein Ende 20a des Spulenkörpers 20 ist durch Löten an einem Ende 10a der Spule
9 sowie einem Anschluß 10 festgelegt. Bin Teil des bewegbaren Glieds 3 ragt aus
dem Gehäuse 2 heraus. Wenn das bewegbare Glied 3 bewegt wird, wird auch der Permanentmagnet
5 entsprechend dem Ausmaß der Bewegung des bewegbaren Glieds versetzt 9 um damit
von dem magnetisch weichen Teil 7 ein elektrisches Signal abzunehmen. Bei diesem
Ausführungsbeispiel bewegt sich in Bezug auf das magnetisch weiche Teil 7 der Permanentmagnet
5 längs der in Fig, 6a gezeigten X-X-Achse0 Die bei einer derartigen Bewegung des
Permanentmagneten 5 erzielten Versuchsdaten sind in den Fig0 8a
bis
8f dargestellt. Verschiedenerlei Parameter wie der Aufbau, die Größe und die Anordnung
der zusammengehörigen Teile, die für die Erzielung der in den Fig, 8a bis 8f dargestellten
Daten verwendet werden, sind in der Tabelle 1 als Fälle Nr. 4 bis 9 angegeben. Aus
den in den Fig. 8a bis 8f gezeigten Daten ist ersichtlich, daß bei der Bewegung
des Permanentmagneten 5 in Richtung der X-X-Achse der Bereich guter Linearität der
Spannung.Vx oder der Verzögerungszeit td als Funktion des Wegs x des Magneten 5
relativ eingeengt ist. Da jedoch in diesem eingeengten Bereich das Ausmaß der Änderung
groß ist, kann der Aufbau so gewählt werden, daß sich der Permanentmagnet 5 über
diesen engen Bereich bewegt.
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In den Fig. 9a bis 9d ist ein Stellungsfühler gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel hat im wesentlichen den
gleichen Aufbau wie das in den Fig. 7a bis 7d gezeigte Ausführungsbeispiel mit der
Ausnahme, daß in der Kammer 21 des Gehäuses 2 in gegenseitigem Abstand zwei weichmagnetische
Teile 7 und 29 angeordnet sind.
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Die Fig. 1Oa zeigt eine elektrische Verarbeitungsschaltung 180, die
eine analoge Spannung Vx in Übereinstimmung mit der Lage des Permanentmagneten 5
in dem in den Fig. 9a bis 9d gezeigten Stellungsfühler 1 abgibt.
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Im einzelnen wird in der Schaltung 180 ein NPN-Transistor 103 während
der Zeit durchgeschaltet, während der eine tingangsimpulsspannung IN auf positivem
Pegel verbleibt, und zu dem Zeitpunkt gesperrt, an-dem die Eingangsimpulsspannung
Massepegel annimmt. Die Kollektorspannung des Transistors 103 wird mittels eines
Paars invertierender Verstärker IN3 und IN4 verstärkt und geformt, bevor sie an
die Basis eines NPN-Transistors 121 angelegt wird. Daher wird dann, wenn die Eingangsimpulsspannung
IN positiven Pegel annimmt, der Transistor 103 durchgeschaltet, während der Transistor
121 gesperrt wird. Als Folge davon wird während dieses Zeitintervalls
ein
PNP-Transistor 104 gesperrt Demgegenüber ist während der Zeitdauer des Massepegele
der Eingangsimpulsspannung der Transistor 103 gesperrt9 während die Transistoren
121 und 104 durchgeschaltet sind D.h., , es werden auf gleichartige weise wie bei
der Schaltung 120 nach Fig. 3a an die Spule 9 Spannungsimpulse angelegt 9 wodurch
an einem Widerstand 105 Spannungsimpulse mit einer Verzögerungszeit tdl von der
jeweiligen abfallenden Flanke der Eingangsspannungsimpulse IN an in der Weise auftreten9
daß die Verzögerungszeit dem Abstand xl des Permanentmagneten 5 von dem weichmagnetischen
Teil 7 entspricht0 An eine weitere, um das magnetisch weiche Teil 29 gewickelte
elektrische Spule 31 ist eine Konstantspannung über einen FNP-Transistor 181 anlegbar.
Wenn der Transistor 103 durchgeschaltet wird 9 damit ein invertierender Verstärker
INS ein positives Ausgangssignal abgibt, welches wiederum während der Zeitdauer
positiven Pegels der Eingangsimpulsspannung IN einen NPg-Transistor 182 durch schaltet,
wird der Transistor 181 gleichfalls durchgeschaltet, während dieser gesperrt wird9
wenn die Eingangsimpulsspannung IN Massepegel annimmt. Demzufolge wird an die zweite
Spule 31 die konstante Versorgungsspannung Vcc angelegt, wenn an die erste Spule
9 keine Spannung angelegt wird, während an die zweite Spule 51 keine Versorgungsspannung
angelegt wird, wenn an die Spule 9 die Spannung angelegt wird. D.h., die konstante
Versorgungsspannung Vcc wird abwechselnd in Übereinstimmung mit den Eingangsspannungsimpulsen
IN an die erste und die zweite Spule 9 und 31 angelegt Die zweite Spule 31 ist mit
einem Widerstand 183 verbunden, an welchem Spannungsimpulse auftreten, deren Anstiegeflanken
gegenüber den Anstiegsflanken der Eingangsspannungsimpulse IN um ein Zeitintervall
einer Verzögerungszeit td2 verzö gert sind, die von dem Abstand x2 des Permanentmagneten
5 von dem magnetisch weichen Teil 29 abhängt Die an dem Widerstand 105 entstehende
Spannung Vx1 wird an einen Belag eines Kondensators 184 angelegt, während an den
anderen Belag des Kondensators 184 die an dem Widerstand 183
entstehende
Spannung Vx2 angelegt wird. Da die Abstände zwischen dem Permanentmagneten 5 einerseits
und dem ersten und dem zweiten magnetisch weichen Teil 7 und 29 andererseits mit
x1 bzw. x2 dargestellt sind, wobei x1 + X2 = k (konstant) gilt, und-da die Spannungen
Vx1 und Vx2 jeweils zu den Abständen x1 bzw. x2 proportional sind, bildet die Potentialdifferenz
an dem Kondensator 184, der zusammen mit einem Widerstand 185 einen Integrator bildet,
eine Spannung an dem Kondensator, die der Größe (x1 - x2) entspricht. Da x2 = k
-x1 gibt, gilt X1 ~ X2 = 2x1 - k. Daher entspricht die Spannung an dem Kondensator
184 der Größe 2x1. D.h., es wird eine analoge Spannung erzielt, die dem Doppelten
des Wegs x1 des Permanentmagneten 5 in Bezug auf das erste magnetisch weiche Teil
7 entspricht. Die gegenpoligen Anschlüsse des Kondensators 184 sind mit den beiden
Eingängen eines Rechenverstärkers 186 verbunden, der als Differenzverstärker ausgebildet
ist. Der Verstärker 186 gibt eine analoge Ausgangsspannung Vx ab, die der Größe
2x1 entspricht.
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Die Fig. 10b zeigt eine weitere elektrische Verarbeitungsschaltung
200, bei der ein Paar von Impulsen gebildet wird, welche jeweils der Anstiegsflanke
von Eingangsimpulsen IN um Zeitintervalle tdl bzw. td2 nacheilen. Diese Impulse
werden jeweils an ein Paar von Zählerschaltungen 140 angelegt, wo sie in ein Paar
von Codesignalen S7 bzw. S29 umgesetzt werden, die die Größen der Zeitintervalle
bzw. Verzögerungszeiten tdl bzw. td2 darstellen. Diese Codesignale werden an einen
Subtrahierer 201 angelegt, der den Wert (tdl - td2) berechnet und ein digitales
Ausgangscodesignal Sx = S7 - S29 abgibt, das die Größe (tdl - td2) bzw. 2x1 darstellt.
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Die Fig. 10o zeigt eine elektronische logische Verarbeitungseinheit
220 mit e einem einem Einzelbaustein-Mikrocomputer 221, der einen Einzelimpuls an
die mit der elektrischen Spule 9 verbundene Schaltung 120 anlegt, während er
von
der Anstiegsflanke dieses Impulses an einen Zeit zählvorgang einleitet, um einen
tdl -Zählungs-Datenwert S7 zu erzielen, der gespeichert wird0 Daraufclgend legt
der Mikrocomputer einen Einzelimpuls an die mit der elektrischen Spule 31 verbundene
Schaltung 120 an, während er einen Zeitzählvorgang von der Anstiegsflanke dieses
Impulses an einleitet, um einen td2-Zählungs-Datenwert S29 zu erzielen. Danaeh berechnet
der Mikrocomputer die Differenz (td1 - td2) und gibt ein entsprechendes Ausgangscodesignal
Sx = S7 - S29 abO Solange ein Meßbefehls-Steuersignal vorliegt, setzt der Mikrocomputer
diesen Arbeitsablauf fort.
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Der Wert der Spannung Vx als Funktion des Wegs x des Permanentmagneten
5 in Richtung der X-X-Achse wurde unter Verwendung der in Fig0 11a gezeigten Anordnung
gemessen, bei der die magnetisch weichen Teile 7 und 29 parallel zueinander fest
angebracht sind, während der Permanentmagnet 5 parallel zu den beiden Teilen 7 und
29 zwischen diese gesetzt ist0 Eine durch den Magneten und die Teile 7 Und 29 in
einer zu ihren Längsachsen senkrechten Richtung laufende Achse wird als X-X-Achse
bestimmt, deren Ursprung (x = o) an der Stelle des Magneten 5 gewählt wird9 an der
dieser in der Mitte zwischen den Teilen 7 und 29 steht, Parameter a bis f für den
Aufbau und die Anordnung sowie das Material der magnetisch weichen Teile sind in
der nachstehenden Tabelle 2 in Übereinstimmung mit zugehörigen Meßdaten angegeben
Tabelle
2
| Spulen Permanent- Ab- Meßvorr. Span- |
| Fall Magnetisch weiche Teile 7 und 29 9 u. 31 magnet 5 stand
u. Eing.- nungs- Daten |
| Nr. Material Dicke a b Blatt- Windungs- c d e f Impuls- po- |
| (Atom-Gew.%) mm mm mm anzahl anzahl mm mm mm mm frequenz lung |
| 10 Fe40Ni40Mo2B18 0,05 30 1,8 4 1000 30 5 4 35 Schal- S-N Fig. |
| amorph tung 180 11b |
| 5 kHz |
| 11 " " " " " " " " " 35 " N-N Fig. |
| 11c |
| 12 " " " " " " " " " 50 " S-N Fig. |
| 11d |
| 13 " " " " " " " " " 50 " N-N Fig. |
| 11c |
Wenn der Abstand zwischen den magnetisch weichen eilen 7 und 29
klein ist 9 wird eine Vx-Ansprechkennlinie mit einer bezüglich des Abstands bzw0
Wegs guten Linearität in einem Bereich von -10 mm <x <10 mm erzielt, wie es
in den Fig. 11b und 11c dargestellt ist. Bei einem vergrößerten Abstand f zwischen
den Teilen 7 und 29 wird bei einer S-N-Retriebsart eine verhaltnismäßig gute Linearität
in einem Bereich von -9 mm < x < 9 mm erzielt, wie es in der T'i. lid dargestellt
ist, jedoch ist dabei der Bereich guter Linearität gegenüber demjenigen eingeengt,
der bei einem verringerten Wert von f erzielt wird0 Ferner ist die Linearität im
Vergleich zu der mit einem kleineren Wert von f erzielten herabgesetzt. Gemäß der
Darstellung in der Fig. 11e ist bei einer N-N-Betriebsart die Linearität in einem
Bereich in der Nähe des Ursprungs (x = o) sehr gering, während die Linearität bei
Annäherung an eines der magnetisch weichen Teile verbessert ist, wobei die Linearität
derjenigen bei den Fällen Nr 4 bis 9 sehr nahe kommt. Dies ist deshalb der Fall,
weil das von dem Permanentmagneten 5 auf die magnetisch weichen Teile 7 und 29 aufgeprägte
Magnetfeld verringert ist, wenn der Magnet in der Nähe des Ursprungs steht. Da daher
das Vx-Ansprechvermögen nicht nur von dem Abstand f zwischen den magnetisch weichen
Teilen 7 und 29, sondern auch von der Gestaltung des Permanentmagneten 5 und der
von diesem hervorgerufenen Seldstärke abhängt, kann auf verhältnismäßig einfache
Weise ein erwünschtes Ansprechvermögen erzielt werden0 Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen
und Abwandlungen bestehen die magnetisch weichen Teile 7 und 29 aus mehreren Blättern
eines amorphen magnetischen Materials, das hohe Elastizität und hohe Verformungs-Widerstandsfähigkeit
zeigt. Für den Stellungsfühler können jedoch auch andere magnetische Materialien
für die magnetisch weichen Teile 7 und 29 verwendet werden. Die Fig.
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12 zeigt graphisch Vx-Daten für einen Vergleich zwischen der Anwendung
eines amorphen magnetischen Materials und
der Anwendung anderer
magnetischer Materialien. Zur Y1rzielung dieser Daten werden ein magnetisch weiches
Teil und ein Permanentmagnet gemäß der Darstellung in der Fih. 6a angeordnet, wobei
der Permanentmagnet in Richtung der X-X-Achse verstellt bzw. versetzt wird. Verschiedenerlei
Parameter hinsichtlich des Aufbaus und der Anordnung der Teile sind in der Tabelle
1 als Fälle Nr.
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14 bis 19 angegeben. Die Kurven Al bis C2 in der Fig. 12 zeigen, daß
jedwedes weichmagnetisches Teil eine hohe Linearität hinsichtlich des Vx-Ansprechvermögens
über einen Bereich von mindestens 6 mm zeigt (nämlich beispielsweise von x = 10
mm bis x = 16 mm bei der Kurve Al und von x = 8 mm bis x = 14 mm bei der Kurve B1),
so daß daher das Teil bei dem Stellungsfiihler verwendet werden kann. Ein magnetisch
weiches Teil aus einem amorphen Material ist für Anwendungszwecke vorzuziehen, bei
denen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen bzw. Vibrationen und
Verformung erforderlich ist.
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Aus der vorstehenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele
und den Darstellungen der Versuchsdaten ist ersichtlich, daß bei dem Stellungsfühler
kein Schleifkontakt verwendet wird, sondern eine Versetzung eines bewegbaren Glieds
in eine Verzögerungszeit td zwischen Eingangsimpulsen einer elektrischen Spule und
über die Spule fließenden Stromimpulsen umgesetzt wird. Die Verzögerungszeit td
wird dann in eine Analogspannung oder ein Zeitzählungs-Codesignal umgesetzt. Auf
diese Weise wird über eine elektrische Verarbeitungsschaltung ein Stellungsmeßsignal
erzielt, das außerordentlich unempfindlich gegenüber Schwingungs- oder Vibrationseinflüssen
ist und wenig anfällig für eine Verschlechterung ist, die durch mechanischen Abrieb
bzw. mechanische Abnutzung hervorgerufen werden könnte. Da kein Verbindungsmechanismus
zwischen dem bewegbaren Körper bzw. dem bewegbaren Glied und dem ihm zugeordneten
Wandler vorhanden ist, entsteht kein Spiel, so daß eine gleichmäßige Stellungsmessung
bzw. Stellungsermittlung erzielt wird.
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Perner ist es von Bedeutung 9 daß der Aufbau der an den Fühler angeschlossenen
elektrischen Verarbeitungsschaltung einfach ist. Im einzelnen kann eine tlalbleitereinheit
mit hohem Integrationsgrad wie ein Einzelbaustein-Mikrocomputer dafür verwendet
werden9 Meßimpulse zu erzeugen und Verzögerungszeiten zwischen diesen Impulsen und
über die elektrische Spule gelangenden Stromimpulsen in Form eines digitalen Codes
abzugeben Es wird ein Stellungsfühler für die Erfassung einer Versetzung eines Objekts
angegeben9 der ein mit dem Objekt verbundenes bewegbares Glied9 einen an das bewegbare
Glied angeschlossenen Permanentmagneten und ein mit einer elektrischen Spule umgebenes
magnetisch weiches Teil aufweist, das nahe dem Bewegungsbereich des Permanentmagneten
festgelegt ist0 Spannungsimpulse werden an ein Windungsende der elektrischen Spule
ange legt, dessen anderes Windungsende mit einem Widerstand in Reihe geschaltet
ist Für jeden an die Spule angelegten Impuls wird der Spannungsabfall an dem Widerstand
ermittelt und die Verzögerungszeit zwischen der ansteigenden Flanke des angelegten
Impulses und dem entsprechenden Spannungsabfall an dem Widerstand mittels einer
Verarbeitungsschaltung gemessen9 die ein Analogspannungs-Signal oder ein Digitalcode-Signal
abgibt, das die Verzögerungszeit darstellt0 Eine Versetzung des Objekts ergibt eine
Änderung des Magnetfelds an dem magnetisch weichen Teil, die eine entsprechende
Veränderung der Verzö gerungszeit zur Folge hat, welche daher einen Maßstab für
die Versetzung des Objekts darstellte