DE3133048C2 - - Google Patents

Description

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

Aus der US-PS 24 95 157 ist ein derartiger Stellungsmeßfühler bekannt, bei dem ein hinsichtlich seiner Stellung zu überwachendes ferromagnetisches Teil entlang eines Magnetkerns bewegbar ist, der zumindest eine mit sinusförmiger Spannung gespeiste Spule trägt. Zur Erzeugung eines der jeweiligen Verlagerung des ferromagnetischen Teils entsprechenden Ausgangssignals ist die zumindest eine Spule entweder mittelangezapft und mit weiteren Spulen in Form einer Brückenschaltung verbunden oder aber sie wirkt auf ein symmetrisch angeordnetes, durch das ferromagnetische Teil in seiner Induktivität veränderbares Sekundärspulenpaar ein. Allerdings erfordern derartige, zur Erzielung ausreichender Meßgenauigkeit eingesetzte symmetrische bzw. Brückenschaltungen relativ großen konstruktiven Aufwand, was dem Erfordernis kompakten Aufbaus bei ausreichender Meßgenauigkeit zuwiderläuft.

Weiterhin offenbart die GB-OS 20 19 582 einen Stellungsmeßfühler, bei dem zwei parallel zueinander orientierte Magnetplatten relativ zu einer zwischen dem Magnetplattenpaar angeordneten Hülse aus magnetisch sättigbarem Material bewegbar sind. Da die Hülse lediglich in ihrem zwischen dem Magnetplattenpaar liegenden Abschnitt magnetisch gesättigt, im verbleibenden Teil aber magnetisch ungesättigt ist, stellt das Verhältnis von magnetisch gesättigtem zu magnetisch ungesättigtem Hülsenabschnitt ein Maß für die jeweilige relative Lage zwischen Magnetplattenpaar und Hülse dar. Dieses Verhältnis wird mittels eines die Hülse durchziehenden Meßdrahts, zu dem ein Erregerdraht parallel angeordnet ist, in nicht näher erörterter Weise erfaßt. Zur Einstellung der Steigung der Ausgangsspannungs-/Stellungs-Kennlinie sind in die Hülse randseitig gezielt Schlitze eingebracht.

Darüber hinaus ist aus der DE-AS 10 17 805 ein Stellungsmeßfühler bekannt, der nach dem Tauchspulenprinzip arbeitet. Der bewegbare Tauchkern ist relativ zu einer mit sinusförmiger Wechselspannung gespeisten Spule bewegbar und von einem weichmagnetischen, C-förmigen Rückschluß umgeben. Zur Vergrößerung des linearen Meßbereichsabschnitts sind die zwischen dem C-förmigen Rückschluß und dem Tauchkern vorhandenen Luftspalte exakt auf bestimmte Längen eingestellt, so daß auch bei diesem bekannten Stellungsmeßfühler erheblicher konstruktiver Aufwand und exakte Justierungsmaßnahmen erforderlich sind.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Stellungsmeßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszugestalten, daß mit geringem konstruktivem Aufwand eine zuverlässige Stellungsermittlung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Stellungsmeßfühler ist somit das bewegbare Teil als Permanentmagnet ausgebildet, so daß die Größe des auf die Kernvorrichtung einwirkenden Magnetfelds in direkter Abhängigkeit von der Stellung des Permanentmagneten steht. Durch die Speisung der mindestens einen Spule mit einer Impulsspannung und der nachfolgenden Auswertung der an der mindestens einen Spule auftretenden Ausgangsimpulse ist hierbei sichergestellt, daß die jeweilige Lage des Permanentmagneten und damit die des Elements in sehr einfacher und dennoch äußerst zuverlässiger Weise erfaßbar ist, ohne daß ins Gewicht fallender konstruktiver Aufwand erforderlich ist. Die Meßeinrichtung und die Impulsgeneratoreinrichtung lassen sich dabei auch durch integrierte Schaltungen realisieren, so daß der Stellungsmeßfühler sehr kompakt und robust ausführbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Stellungsmeßfühlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2a ein Schaltbild einer an den in Fig. 1 gezeigten Stellungsmeßfühler angeschlossenen elektrischen Verarbeitungsschaltung,

Fig. 2b eine graphische Darstellung der Kurvenformen von Eingangs- und Ausgangssignalen der in Fig. 2a gezeigten Verarbeitungsschaltung,

Fig. 3a ein Schaltbild einer weiteren, an den in Fig. 1 gezeigten Stellungsmeßfühler angeschlossenen elektrischen Verarbeitungsschaltung,

Fig. 3b eine graphische Darstellung, die die Kurvenformen von Eingangs- und Ausgangssignalen der in Fig. 3a gezeigten Verarbeitungsschaltung zeigt,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Zählerschaltung, die eine Verzögerungszeit zwischen Eingangs- und Ausgangsimpulsen der Verarbeitungsschaltung nach Fig. 3a in einen digitalen Code umsetzt,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer an den in Fig. 1 gezeigten Stellungsmeßfühler angeschlossenen elektronischen Verarbeitungseinheit zur Ermittlung einer Verzögerungszeit vom Zeitpunkt des Anlegens eines Spannungsimpulses an eine elektrische Spule des Stellungsmeßfühlers bis zur Anstiegsflanke eines durch die elektrische Spule fließenden Stroms,

Fig. 6a eine perspektivische Ansicht, die eine Anordnung eines weichmagnetischen Teils und eines Permanentmagneten veranschaulicht, welche bei der Ermittlung einer Verzögerungszeit verwendet wird, die sich entsprechend der Relativlage des Permanentmagneten gegenüber dem magnetisch weichen Teil verändert,

Fig. 6b eine graphische Darstellung, die Spannungsdaten über eine Verzögerungszeit zeigt, welche sich entsprechend einer Wegstrecke y eines Permanentmagneten in Y-Y-Richtung unter Verwendung der in Fig. 6a gezeigten Anordnung ändern,

Fig. 6c eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig. 6b entsprechende Daten für einen längeren Permanentmagneten zeigt,

Fig. 6d eine graphische Darstellung, die den in Fig. 6b entsprechende Daten für einen Permanentmagneten bei umgekehrter Magnetfeldpolung zeigt,

Fig. 7a eine Längsschnittansicht eines Stellungsmeßfühlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 7b eine Seitenansicht des in Fig. 7a gezeigten Stellungsmeßfühlers,

Fig. 7c eine Schnittansicht längs einer Linie B-B in Fig. 7b,

Fig. 7d eine Schnittansicht längs einer Linie A-A in Fig. 7a,

Fig. 8a eine graphische Darstellung, die einer Verzögerungszeit entsprechende Spannungsdaten zeigt,

Fig. 8b eine graphische Darstellung, die Verzögerungszeit-Daten für den Fall zeigt, daß unter Verwendung der in Fig. 6a gezeigten Anordnung und Bewegung des Permanentmagneten in X-X-Richtung die Spule an die in Fig. 3a gezeigte elektrische Verarbeitungsschaltung angeschlossen wird,

Fig. 8c eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig. 8a entsprechende Daten in dem Fall zeigt, daß die Spannungsimpulse an die elektrische Spule mit umgekehrter Polung angelegt werden,

Fig. 8d eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig. 8b entsprechende Daten zeigt,

Fig. 8e eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig. 8a entsprechende Daten bei Verwendung eines 30 mm langen Permanentmagneten zeigt,

Fig. 8f eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig. 8b entsprechende Daten bei Verwendung eines 30 mm langen Permanentmagneten zeigt,

Fig. 9a eine Längsschnittansicht eines Stellungsmeßfühlers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 9b eine Seitenansicht des in Fig. 9a gezeigten Stellungsmeßfühlers,

Fig. 9c eine Schnittansicht längs einer Linie B-B in Fig. 9b,

Fig. 9d eine Schnittansicht längs einer Linie A-A in Fig. 9a,

Fig. 10a ein Schaltbild einer an den in Fig. 9 gezeigten Stellungsmeßfühler angeschlossenen elektrischen Verarbeitungsschaltung,

Fig. 10b ein Blockschaltbild einer anderen an den in Fig. 9 gezeigten Stellungsmeßfühler angeschlossenen elektrischen Verarbeitungsschaltung,

Fig. 10c ein Blockschaltbild einer an den in Fig. 9 gezeigten Stellungsmeßfühler angeschlossenen elektronischen logischen Verarbeitungseinheit,

Fig. 11a 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 dient,

Fig. 11b eine graphische Darstellung, die einer Verzögerungszeit entsprechende Spannungsdaten zeigt, die sich bei Verwendung der in Fig. 11a gezeigten Anordnung und zweier elektrischer Spulen ergeben,

Fig. 11c eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig. 11b entsprechende Daten für den Fall zeigt, daß die Spannungsimpulse an die elektrischen Spulen mit umgekehrter Polung angelegt werden,

Fig. 11d eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig. 11b entsprechende Daten zeigt,

Fig. 11e eine graphische Darstellung, die den Daten nach Fig. 11c entsprechende Daten bei anderem Spulenabstand zeigt, und

Fig. 12 eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen aus der in Fig. 2a gezeigten elektrischen Verarbeitungsschaltung abgegebenen Spannungsdaten für die Verzögerungszeit und der Verstellung bzw. Wegstrecke x des Permanentmagneten in der X-X-Richtung bei der in Fig. 6a gezeigten Anordnung für unterschiedliche magnetisch weiche Teile veranschaulicht.

In der Zeichnung sind durchgehend zur Bezeichnung identischer oder einander entsprechender Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der in Fig. 1 gezeigte Stellungsmeßfühler 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel weist ein Gehäuse 2 auf, in welchem ein Permanentmagnet 5 so angeordnet ist, daß er gegen ein Verbindungsglied 4 stößt. An dem Verbindungsglied 4 ist mit einem Ende ein bewegbares Element 3 befestigt, dessen anderes Ende nach außen ragt, so daß bei einer Versetzung bzw. Verstellung des bewegbaren Elements 3 durch eine an seinem nach außen ragenden Teil ausgeübte äußere Kraft der Permanentmagnet 5 in der durch den Pfeil dargestellten Richtung bewegt wird. Der Permanentmagnet 5 ist mittels einer Feder 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 eine magnetisch weiche Kernvorrichtung 7 angeordnet. Eine Kunstharzplatte 8, an der die Kernvorrichtung 7 angebracht ist, verhindert deren Verformung. Um die Kernvorrichtung 7 und die Platte 8 ist eine Spule 9 gewickelt, deren eines Ende 9 a zusammen mit einem Ende 8 a der Platte 8 mit Hilfe eines Niets an einem Ende 10 a eines Anschlusses 10 befestigt ist, während die anderen Enden 9 b der Spule 9 bzw. 8 b der Platte 8 gleichermaßen an einem Ende 10 b eines zweiten Anschlusses 10 befestigt sind. Wenn bei dieser Anordnung das bewegbare Element 3 und der Permanentmagnet 5 unter Kraftanwendung in die in Fig. 1 durch den Pfeil angegebene Richtung bewegt werden, erfaßt die Kernvorrichtung 7 eine derartige Versetzung bzw. Verstellung des bewegbaren Elements 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.

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. Ferner hat die Schaltung einen Eingangsanschluß 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 104 durchgeschaltet bzw. gesperrt. Daher wird während der Zeit des Anlegens positiver Impulsspannung 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 Stroms proportionale Spannung erzeugt, die mittels eines Integrators aus einem Widerstand 106 und einem Kondensator 107 integriert wird, so daß an einem Ausgangsanschluß 108 eine integrierte Spannung auftritt.

Fig. 2b zeigt graphisch die Kurvenformen der Eingangs- und Ausgangsspannungen der in Fig. 2a gezeigten Schaltung. Sowohl die Verzögerungszeit t _d von der Anstiegsflanke der Eingangsspannung IN bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Spannung an dem Widerstand 105 einen vorgegebenen Pegel übersteigt, als auch die integrierte Spannung, die ein Integral der Spannung an dem Widerstand 105 darstellt, hängen von der Lage des Permanentmagneten 5 ab.

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-Feldeffekttransistoren 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 Feldeffektransistoren FET 1 und FET 2 verbundenen Anschluß der Spule entstehende Spannung wird einem Paar von invertierenden Verstärkern IN 1 und IN 2 zugeführt, die sie verstärken und (zu Impulsen) formen.

Fig. 3b zeigt graphisch die Kurvenformen der Eingangs- und Ausgangsspannungen der Schaltung nach Fig. 3a. Die Schaltung 120 gibt Ausgangsspannungsimpulse OUT ab, die in bezug auf jeweils entsprechende Eingangsimpulse IN um eine Verzögerungszeit t _d verzögert sind, wobei die Dauer der Verzögerungszeit von der Lage des Permanentmagneten 5 abhängt.

Fig. 4 zeigt eine Zählerschaltung 140, die den Wert der Verzögerungszeit t _d in einen entsprechenden digitalen Code umsetzt. Bei der Schaltung nach Fig. 4 wird von der Anstiegsflanke einer Eingangsimpulsspannung IN ein Flipflop F 1 gesetzt, wodurch dessen Q-Ausgangssignal auf hohen Pegel "1" wechselt, durch den ein UND- Glied A 1 zum Durchlaß von mittels eines Taktimpulsoszillators 141 erzeugten Impulsen an einen Zählimpulseingang CK eines Zählers 142 durchgeschaltet wird. Ein Ausgangsimpuls OUT und das Q-Ausgangssignal des Flipflops F 1 werden an ein UND-Glied A 2 angelegt, das ein Signal hohen Pegel "1" abgibt, wenn der Ausgangsimpuls OUT auf hohen Pegel ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Flipflop F 1 rückgesetzt, wodurch sein Q-Ausgangssignal auf niedrigen Pegel "0" zurückkehrt. Dadurch wird das UND- Glied A 1 gesperrt und damit die Zufuhr von Taktimpulsen zu dem Zähler 142 unterbrochen. Wenn das UND-Glied A 2 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 F 1 und dem Beschicken des Zwischenspeichers 143 mit dem Zählstand-Code läßt ein UND-Glied A 3 Taktimpulse zum Löschen des Zählers 142 durch. Ein Ausgangscodesignal des Zwischenspeichers 143 gibt die Anzahl der während des Zeitintervalls der Verzögerungszeit t _d durchgelassenen Taktimpulse an und stellt damit die Dauer der Verzögerungszeit t _d dar.

Eine in Fig. 5 gezeigte elektronische Verarbeitungseinheit 160 hat einen Einzelbaustein-Mikrocomputer (integrierte Halbleitereinheit 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. Der Widerstand 163 und der Kondensator 164 bilden zusammen ein Filter, das Spannungsschwingungen mit Frequenzen unterdrückt, die höher als die Frequenz der Eingangs- und der Ausgangsimpulse sind. Der Mikrocomputer 161 bildet aufgrund der von dem Taktimpulsoszillator 166 erzeugten Taktimpulse Impulse mit einer vorgegebenen Frequenz in einem Bereich von 5 bis 30 kHz und führt diese Impulse dem Verstärker 162 zu. Andererseits überwacht der Mikrocomputer 161 die an dem Verbindungspunkt zwischen dem N- Kanal-Feldeffekttransistor FET 1 und einem Ende der Spule entstehende Spannung bzw. die Ausgangsspannung des Verstärkers 165 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 t _d , für deren Wert der Mikrocomputer ein Ausgangscodesignal bildet.

Gemäß den vorangehenden Ausführungen kann der Stellungsmeßfühler 1 nach Fig. 1 mit verschiedenen Auswerteeinrichtungen arbeiten, die ein elektrisches Signal liefern, das die Lage des Permanentmagneten 5 in dem Stellungsmeßfühler 1 angibt. Die Verwendung des in Fig. 1 gezeigten Stellungsmeßfühlers 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 Signals wird nun erläutert.

Die Umsetzung der Lage des Permanentmagneten 5 in ein elektrisches Signal wird anhand von Versuchsdaten erläutert, die in den Fig. 6b bis 6d dargestellt sind. Bei diesen Versuchen wurde die Kernvorrichtung 7 fest an einem Tisch angebracht, wie es in Fig. 6a dargestellt ist, und parallel hierzu der Permanentmagnet 5 angeordnet. Eine X-X-Achse wurde so gewählt, daß sie quer durch die Längsmitte der Kernvorrichtung 7 in der zu deren 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 der X-X- Achse liegt. Danach wurden Werte der Spannung Vy und der Verzögerungszeit t _d 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 der Kernvorrichtung sowie die erzielten Daten sind in der nachstehenden Tabelle 1 als Fälle Nr. 1 bis 3 aufgelistet.

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 der Kernvorrichtung 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 der Kernvorrichtung 7 ein N-Pol erzeugt wird.

Tabelle 1

Tabelle 1 (Fortsetzung)

Wie für Fall Nr. 1 aus in Fig. 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 Nr. 3 (Fig. 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 guter Linearität in seiner Breite relativ eingeengt, jedoch verteilt sich die Spannung auf verschiedene Bereiche des Wegs y. Damit wird ein Arbeitsbereich des Permanentmagneten 5 in dem Stellungsmeßfühler 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 zeigt.

In den Fig. 7a bis 7d ist ein Stellungsmeßfühler 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Gehäuse 2 umgibt eine Kammer 21, in der der Permanentmagnet 5 und die Kernvorrichtung 7 parallel zueinander angeordnet sind. Der Permanentmagnet 5 ist mit dem bewegbaren Element 3 versehen, während die Kernvorrichtung 7 an ihrer Außenfläche mit einem Spulenkörper 20 versehen ist, um den eine elektrische Spule 9 gewickelt ist. Ein Ende 20 a des Spulenkörpers 20 ist durch Löten an einem Ende 10 a der Spule 9 sowie einem Anschluß 10 festgelegt. Ein Teil des bewegbaren Elements 3 ragt aus dem Gehäuse 2 heraus. Wenn das bewegbare Element 3 bewegt wird, wird auch der Permanentmagnet 5 in entsprechendem Ausmaß versetzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel bewegt sich in bezug auf die Kernvorrichtung 7 der Permanentmagnet 5 längs der in Fig. 6a gezeigten X-X-Achse.

Die bei einer derartigen Bewegung des Permanentmagneten 5 erzielten Versuchsdaten sind in den Fig. 8a bis 8f dargestellt. Verschiedene 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 t _d 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.

In den Fig. 9a bis 9d ist ein Stellungsmeßfühler gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie das in den Fig. 7a bis 7d gezeigten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, daß in der Kammer 21 des Gehäuses 2 in gegenseitigem Abstand zwei weichmagnetische Kernvorrichtungen 7 und 29 angeordnet sind.

Fig. 10a 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 Stellungsmeßfühler 1 abgibt. Im einzelnen wird in der Schaltung 180 der NPN-Transistor 103 während der Zeit durchgeschaltet, während der eine Eingangsimpulsspannung 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 IN 3 und IN 4 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 der PNP-Transistor 104 gesperrt. Demgegenüber ist während der Zeitdauer des Massepegels der Eingangsimpulsspannung der Transistor 103 gesperrt, während die Transistoren 121 und 104 durchgeschaltet sind. Das heißt, es werden auf gleichartige Weise wie bei der Schaltung 120 nach Fig. 3a an die Spule 9 Spannungsimpulse angelegt, wodurch an dem Widerstand 105 Spannungsimpulse mit einer Verzögerungszeit t _{d 1} von der jeweiligen abfallenden Flanke der Eingangsspannungsimpulse IN an in der Weise auftreten, daß die Verzögerungszeit dem Abstand x₁ des Permanentmagneten 5 von der Kernvorrichtung 7 entspricht. An eine weitere, um die Kernvorrichtung 29 gewickelte elektrische Spule 31 ist eine Konstantspannung über einen PNP-Transistor 181 anlegbar. Wenn der Transistor 103 durchgeschaltet wird, damit ein invertierender Verstärker IN 5 ein positives Ausgangssignal abgibt, welches wiederum während der Zeitdauer positiven Pegels der Eingangsimpulsspannung IN einen NPN-Transistor 182 durchschaltet, wird der Transistor 181 gleichfalls durchgeschaltet, während dieser gesperrt wird, 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 31 keine Versorgungsspannung angelegt wird, wenn an die Spule 9 die Spannung angelegt wird. Das heißt, 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 Anstiegsflanken gegenüber den Anstiegsflanken der Eingangsspannungsimpulse IN um ein Zeitintervall einer Verzögerungszeit t _{d 2} verzögert sind, die von dem Abstand x₂ des Permanentmagneten 5 von der Kernvorrichtung 29 abhängt. Die an dem Widerstand 105 entstehende Spannung Vx 1 wird an einen Belag eines Kondensators 184 angelegt, während an den anderen Belag des Kondensators 184 die an dem Widerstand 183 entstehende Spannung Vx 2 angelegt wird. Da die Abstände zwischen dem Permanentmagneten 5 einerseits und der ersten und der zweiten Kernvorrichtung 7 und 29 andererseits mit x₁ bzw. x₂ dargestellt sind, wobei x₁+ x₂ = k (konstant) gilt, und da die Spannungen Vx 1 und Vx 2 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, die der Größe (x₁-x₂) entspricht. Da x₂=k-x₁ gilt, gilt x₁-x₂ = 2x₁-k. Daher entspricht die Spannung an dem Kondensator 184 der Größe 2x₁. Das heißt, es wird eine analoge Spannung erzielt, die dem Doppelten des Wegs x₁ des Permanentmagneten 5 in bezug auf die erste Kernvorrichtung 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.

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 t _{d 1} bzw. t _{d 2} nacheilen. Diese Impulse werden jeweils an ein Paar von Zählerschaltungen 140 angelegt, wo sie in ein Paar von Codesignalen S 7 bzw. S 29 umgesetzt werden, die die Größen der Zeitintervalle bzw. Verzögerungszeiten t _{d 1} bzw. t _{d 2} darstellen. Diese Codesignale werden an einen Subtrahierer 201 angelegt, der den Wert (t _{d 1}-t _{d 2}) berechnet und ein digitales Ausgangscodesignal Sx = S 7-S 29 abgibt, das die Größe (t _{d 1}-t _{d 2}) bzw. 2x₁ darstellt.

Fig. 10c zeigt eine elektronische logische Verarbeitungseinheit 220 mit 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 Zeitzählvorgang einleitet, um einen t _{d 1}-Zählungs-Datenwert S 7 zu erzielen, der gespeichert wird. Darauffolgend 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 t _{d 2}-Zählungs-Datenwert S 29 zu erzielen. Danach berechnet der Mikrocomputer die Differenz (t _{d 1}-t _{d 2}) und gibt ein entsprechendes Ausgangscodesignal Sx = S 7-S 29 ab. Solange ein Meßbefehls- Steuersignal vorliegt, setzt der Mikrocomputer diesen Arbeitsablauf fort.

Der Wert der Spannung Vx als Funktion des Wegs x des Permanentmagneten 5 in Richtung der X-X-Achse wurde unter Verwendung der in Fig. 11a gezeigten Anordnung gemessen, bei der die Kernvorrichtungen 7 und 29 parallel zueinander fest angebracht sind, während der Permanentmagnet 5 parallel zu den beiden Teilen 7 und 29 zwischen diese gesetzt ist. Eine durch den Magneten und die Teile 7 und 29 in einer zu ihren Längsachsen senkrechten Richtung laufende Achse wurde als X-X-Achse bestimmt, deren Ursprung (x=o) an der Stelle des Magneten 5 gewählt wird, an der dieser in der Mitte zwischen den Kernvorrichtungen 7 und 29 steht. Parameter a bis f für den Aufbau und die Anordnung sowie das Material der Kernvorrichtungen sind in der nachstehenden Tabelle 2 in Übereinstimmung mit zugehörigen Meßdaten angegeben.

Tabelle 2

Wenn der Abstand zwischen den Kernvorrichtungen 7 und 29 klein ist, wird eine Vx-Ansprechkennlinie mit einer bezüglich des Abstands bzw. 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 Kernvorrichtungen 7 und 29 wird bei einer S-N-Betriebsart eine verhältnismäßig gute Linearität in einem Bereich von -9 mm < x <9 mm erzielt, wie es in Fig. 11d dargestellt ist, jedoch ist dabei der Bereich guter Linearität gegenüber demjenigen eingeengt, der bei einem verringerten Wert von f erzielt wird. Ferner ist die Linearität im Vergleich zu der mit einem kleineren Wert von f erzielten herabgesetzt. Gemäß der Darstellung in 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 den Kernvorrichtungen 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 Kernvorrichtungen 7 und 29, sondern auch von der Gestaltung des Permanentmagneten 5 und der von diesem hervorgerufenen Feldstärke abhängt, kann auf verhältnismäßig einfache Weise ein erwünschtes Ansprechvermögen erzielt werden.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen und Abwandlungen bestehen die Kernvorrichtungen 7 und 29 aus mehreren Blättern eines amorphen magnetischen Materials, das hohe Elastizität und hohe Verformungs-Widerstandsfähigkeit zeigt. Für den Stellungsmeßfühler können jedoch auch andere magnetische Materialien für die Kernvorrichtungen 7 und 29 verwendet werden. Fig. 12 zeigt graphisch Vx-Daten für einen Vergleich zwischen der Anwendung eines amorphen magnetischen Materials und der Anwendung anderer magnetischer Materialien. Zur Erzielung dieser Daten werden ein magnetisch weiches Teil und ein Permanentmagnet gemäß der Darstellung in Fig. 6a angeordnet, wobei der Permanentmagnet in Richtung der X-X-Achse verstellt bzw. versetzt wird. Verschiedene Parameter hinsichtlich des Aufbaus und der Anordnung der Teile sind in der Tabelle 1 als Fälle Nr. 14 bis 19 angegeben. Die Kurven A 1 bis C 2 in Fig. 12 zeigen, daß jede Kernvorrichtung 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 A 1 und von x = 8 mm bis x = 14 mm bei der Kurve B 1), so daß sie bei dem Stellungsmeßfühler verwendet werden kann. Ein magnetisch weiches Teil aus einem amorphen Material ist vorzuziehen, wenn hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen bzw. Vibrationen und Verformung erforderlich ist.

Aus der vorstehenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele und den Darstellungen der Versuchsdaten ist ersichtlich, daß die Versetzung des bewegbaren Elements in eine Verzögerungszeit t _d zwischen Eingangsimpulsen einer elektrischen Spule und über die Spule fließenden Stromimpulsen umgesetzt wird. Die Verzögerungszeit t _d 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 Stellungsermittlung erzielt wird. Ferner ist der Aufbau der an dem Meßfühler angeschlossenen elektrischen Auswerteeinrichtung einfach. Im einzelnen kann eine Halbleitereinheit mit hohem Integrationsgrad wie ein Einzelbaustein- Mikrocomputer verwendet werden, Meßimpulse zu erzeugen und Verzögerungszeiten zwischen diesen Impulsen und über die elektrische Spule gelangenden Stromimpulsen in Form eines digitalen Codes abzugeben.

Wird allgemein mit T die Zeit bezeichnet, die dafür notwendig ist, von einem Zeitpunkt an, zu dem an die um die Kernvorrichtung gewickelte Spule elektrische Leistung angelegt wird, das magnetisch weiche Material magnetisch zu sättigen. Die Zeit T ist durch die Gleichung

gegeben, wobei E die an die elektrische Spule angelegte Spannung, N die Windungszahl der Spule, Φ _m den maximalen Magnetfluß (der annähernd mit dem Sättigungs- Magnetfluß identisch ist) und Φ _x den auf ein äußeres Magnetfeld zurückzuführenden Magnetfluß bezeichnen.

Aus der vorstehenden Gleichung ist ersichtlich, daß sich T ändert, wenn sich bei einer Versetzung des bewegbaren Elements Φ _x ändert.

Wenn somit der Permanentmagnet entsprechend einer Versetzung des an den Magneten angeschlossenen bewegbaren Elements versetzt wird, so daß eine Änderung des an der magnetisch weichen Kernvorrichtung wirkenden äußeren Magnetflusses Φ _x verursacht wird, ändert sich die Zeit T nach dem Anlegen der Spannung an die Spule bis zum Erreichen eines vorgegebenen Spulenstrom-Pegels.

Demgemäß kann bei dem Stellungsmeßfühler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine elektrische Schaltung oder eine elektronische Halbleitereinrichtung dafür verwendet werden, den Wert der Zeit T zu bestimmen und ein elektrisches Signal in der Form eines Spannungspegels oder eines digitalen Codes abzugeben, das diesen Wert anzeigt. Zur Bildung der Kernvorrichtung wird ein amorphes magnetisches Material verwendet. Da jedoch ein amorphes magnetisches Teil durch Abschrecken flüssigen Metalls gewonnen werden muß, hat das Teil die Form eines dünnen Blatts. Es zeigt Ferromagnetismus und hat einen hohen magnetischen Sättigungswert, eine hohe Permeabilität (μ _max <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 erfindungsgemäßen Stellungsmeßfühler vorteilhaft. Durch die Verwendung des Materials wird vorteilhafterweise die Signalverarbeitung erleichtert und die Genauigkeit hinsichtlich der Bestimmung des Werts der Zeit T gesteigert. Ferner ist in mechanischer Hinsicht die Herstellung vereinfacht, während die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungen bzw. Vibrationen oder Stößen verbessert ist.

Claims (11)

1. Stellungsmeßfühler zur Ermittlung der jeweiligen Lage eines Elements, mit einem in Abhängigkeit von einer Verlagerung des Elements bewegbaren Teil, in dessen Nähe eine Kernvorrichtung vorhanden ist, an der mindestens eine elektrische Spule angeordnet ist, und mit einer mit der mindestens einen Spule gekoppelten Meßeinrichtung, die der jeweiligen Lage des Elements entsprechende Ausgangssignale abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Teil als Permanentmagnet (5) ausgebildet ist, dessen Magnetfeld auf die Kernvorrichtung (7; 7, 29) einwirkt, und daß die Meßeinrichtung (100; 120; 140; 160; 180; 200; 220) eine Impulsgeneratoreinrichtung (104; 161, 162; 104, 181) zum Anlegen einer Impulsspannung an die mindestens eine Spule (9; 9, 31) und eine Auswerteeinrichtung (105 bis 107; FET 1, FET 2, IN 1, IN 2, 122; 140; FET 1, 161, 163 bis 166; 105, 183 bis 186; 140, 201; 221) aufweist, die dem Strom durch die mindestens eine Spule (9; 9, 31) proportionale, in ihrer Breite von der jeweiligen Lage des Permanentmagneten (5) abhängige elektrische Impulse zur Erzeugung eines der jeweiligen Lage des Permanentmagneten (5) entsprechenden Ausgangssignal verarbeitet.

2. Stellungsmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernvorrichtung (7; 7, 29) ein amorphes magnetisches Material aufweist.

3. Stellungsmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernvorrichtung (7) an einer Kunstharzplatte (8) befestigt ist.

4. Stellungsmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Verbindungsglied (4), das zwischen das bewegbare Element (3) und den Permanentmagneten (5) eingesetzt ist.

5. Stellungsmeßfühler nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Feder (6), die auf den Permanentmagneten (5) an dessen dem Verbindungsglied (4) gegenüberliegende Ende eine Vorspannungskraft ausübt.

6. Stellungsmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (5) in seiner Längsrichtung magnetisiert ist und an dem bewegbaren Element (3) befestigt ist, daß die Kernvorrichtung (7, 29) einander gegenüberliegende Kernteile aufweist, die jeweils ein weichmagnetisches Material enthalten und an einander gegenüberliegenden Seiten des Permanentmagneten (5) angeordnet sind, und daß das bewegbare Element (3) in einer zur Längsachse des Permanentmagneten (5) senkrechten Richtung versetzbar ist.

7. Stellungsmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Element (3) in Längsrichtung der Kernvorrichtung (7) versetzbar ist.

8. Stellungsmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Element (3) in einer zur Längsachse der Kernvorrichtung (7) senkrechten Richtung bewegbar ist.

9. Stellungsmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung als Integrierschaltung (106, 107) ausgebildet ist, die die an einem mit der mindestens einen Spule (9) verbundenen Widerstand (105) in Form von Spannungsimpulsen auftretenden elektrischen Impulse in eine entsprechende Gleichspannung umsetzt.

10. Stellungsmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung als Zählschaltung (140) ausgebildet ist, die die Zeitdifferenz zwischen den Anstiegsflanken der an die mindestens eine Spule (6) angelegten Spannungsimpulse und den Anstiegsflanken der am anderen Spulenanschluß auftretenden elektrischen Impulse durch Zählen der Anzahl von in der entsprechenden Zeitdifferenz auftretenden Taktimpulsen ermittelt.

11. Stellungsmeßfühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählschaltung (140) ein Flip-Flop (F 1) aufweist, das bei jeder Anstiegsflanke eines an die mindestens eine Spule (6) angelegten Spannungsimpulses gesetzt und bei jeder Anstiegsflanke eines am anderen Spulenanschluß auftretenden Impulses rückgesetzt wird und über seinen Ausgang ein mit dem Zähleingang eines Zählers (142) verbundenes UND-Glied (A 1) steuert, dessen anderer Eingang mit einer Taktimpulsquelle (141) verbunden ist.