DE3150814A1

DE3150814A1 - Vorrichtung zur beruehrungslosen bestimmung der schaltstellung des ankers eines elektromagneten

Info

Publication number: DE3150814A1
Application number: DE19813150814
Authority: DE
Inventors: Günter 7000 Stuttgart Kösterke; Alfred 7080 Aalen Nuding
Original assignee: Herion Werke KG
Current assignee: Herion Werke KG
Priority date: 1981-12-22
Filing date: 1981-12-22
Publication date: 1983-06-30

Description

Vorrichtung zur beruhrungslosen Bestimmung der Schaltstellung
des Ankers eines Elektromagneten Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslos,en Bestimmung der Schaltstellung des Ankers eines Elektromagneten durch Veränderung der Induktivität einer Meßspule in Abhängigkeit von der Ankerstellung, insbesondere für elektromagnetisch gesteuerte Ventile.
Es sind elektromagnetisch gesteuerte Ventile bekannt, bei denen die oder eine Ventilöffnung durch den Magnetanker eines Elektromagneten direkt oder indirekt gesteuert, d.h. geöffnet und geschlossen wird.
Die Umschaltung des Ankers in die einzelnen Schaltstellungen erfolgt mit Hilfe der Magnetspule des Elektromagneten,-deren Arbeitswicklung entsprechend elektrisch erregt oder entregt wird.
Zur Bestimmung der Schaltstellung des Ankers sind nun bei diesen bekannten Ventilen besondere Meßspulen vorgesehen, deren Induktivität abhängig von der Schaltstellung des Ankers verändert wird, wobei der letztere hierzu mit einem Ansatz o.dgl. versehen ist, der entsprechend der Schaltstellung des Ankers mehr oder weniger in die Meßspulen eintaucht. Das von den Meßspulen abgegebene Signal dient dann zur Bestimmung der Ankerstellung.
Diese Methode ist sehr aufwendig, da besondere Meßspulen-notwendig sind und der Anker mit einem Teil versehen oder verbunden sein muß, der in der Lage ist, die Induktivität der Meßspulen zu verändern.
Abgesehen von diesen zusätzlichen Bauteilen wird auch die Bauhöhe eines solchen Ventiles durch die Meßspulen vergrößert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß sie konstruktiv einfacher, material sparender und platzsparender gestaltet ist.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Arbeitswicklung des Elektromagneten, mittels welcher der Magnetanker geschaltet wird, gleichzeitig wenigstens zum Teil die Meßspule für die Stellungsanzeige des Ankers bildet. Vorzugsweise bildet jedoch die gesamte Arbeitswicklung des Elektromagneten auch die 0 3spule für die Stellungsanzeige des Ankers.
Um ein für die Messung auswertbares Signal zu erhalten, wird hierbei zweckmäßigerweise eine Meßwechselspannung mittels eines Obertraoers in den Hauptstromkreis des Elektromagneten eingekoppelt.
Vorteilhafterweise ist die Arbeitswicklung des Elektromagneten in zwei Teilwicklungen unterteilt, wobei jeweils eine Teilwicklung in einem Zweig einer Meßbrücke liegt, in deren beiden anderen Zweigen je ein Widerstand liegt.
Vorzugsweise haben die beiden Teilwicklungen i.w. gleiche Induktivität und gleichen ohmschen Widerstand, während einer der beiden weiteren Widerstände der Meßbrücke veränderbar ist.
Zur Steigerung der Meßempfindlichkeit kann ferner vorgesehen sein, einen Teil der Arbeitswicklung vom magnetischen Hauptkreis des Elektromagneten räumlich derart zu trennen, daß die Induktivität dieses Wicklungsteiles von der Ankerstellung unabhängig ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, in den Hauptstromkreis des Elektromagneten in Reihe mit der Arbeitswicklung einen ohmschen Widerstand zu schalten, an welchem eine von der Stellung des Ankers abhängige Spannungsänderung abgreifbar ist.
Diese an dem Widerstand abgegriffene Gesamtspannungsänderung wird zweckmäßigerweise an ein Filternetzwerk gelegt, um den für die Messung erforderlichen Wechselspannungsanteil herauszusieben.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand-der Zeichnung im einzelnen erläutert, in der Fig. 1 schematisch im Schnitt einen Elektromagneten zeigt.
Fig. 2 zeigt die Schaltung der Arbeitswicklung des Elektromagneten nach Fig. 1 in Form einer Meßbrücke zur Erzielung eines Meßsignales für die Stellungsanzeige des Ankers.
Fig. 3 zeigt die Schaltung des Hauptstromkreises des Elektromagneten nach Fig. 1 in Verbindung mit der Schaltung nach Fig. 2.
Fig. 4 zeigt die Schaltung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Widerstand im Hauptstromkreis des Elektromagneten in Reihe mit dessen Arbeitswicklung geschaltet ist.
Fig. 1 zeigt einen Elektromagneten 10 in einem Gehäuse 12, der eine Magnetspule oder Arbeitswicklung 14 und einen Magnetanker 20 aufweist.
Die Arbeitswicklung 14 besteht aus zwei miteinander verbundenen Teilwicklungen 16 und 18, wobei zwischen den beiden Wicklungen ein Abgriff 24 vorgesehen ist. Dieser Abgriff 24 liegt zweckmäßigerweise in der Mitte der Arbeitswicklung 14, so daß die Teilwicklungen 16 und 18 gleich sind, d.h. sie haben gleiche Windungszahlen und gleiche ohmsche Widerstände. Für die Durchführung der Erfindung ist es aber nicht erforderlich, daß der Abgriff 24 in der Mitte der Arbeitswicklung 14 liegt, d.h. die Teilwicklungen 16 und 18 können auch unterschiedliche Windungszahlen und unterschiedliche ohmsche Widerstände aufweisen.
Werden jedoch die beiden Hälften der Arbeitswicklung, d.h. die Teilwicklungen 16 und 18 gleich ausgeführt, so vereinfacht sich der Abgleich der in Fig. 2 dargestellten Wechselstrommeßbrücke. Ebenso kompensieren sich bei gleicher Ausbildung der Teilwicklungen 15, 18 im wesentlichen evtl. Widerstandsänderungen infolge einer Erwärmung der Arbeitswicklung bzw. der Teilwicklungen.
Fig. 2 zeigt die Verschaltung der Teilwicklungen 16 und 18 in Form einer Wechselstrommeßbrücke 22.
Wie dargestellt, liegen im linken Brückenzweig ;e Teilwice gen 16 und 18, während im rechten Brückenzweig ohmsche Wl-serstände R3 und R4 liegen. Zwischen den Teilwicklungen 16 und 18 liegt der Abgriff 24, der zu einer Klemme A führt und zwischen den ohmschen Widerständen R3 und R4 liegt ein Abgriff 54, der zu einer Klemme B führt.
Die Msßwechselspannung 30 liegt an den Punkten 26 und 28 der Brücke.
Die Teilwicklung 16 hat einen ohmschen Widerstand R1 und eine Induktivität L1 und die Teilwicklung 18 hat einen ohmschen Widerstand R2 und eine Induktivität L2.
Der Brückenabgleich, auf den weiter unten im einzelnen eingegangen wird, erfolgt mit Hilfe des veränderbaren Widerstandes R4.
Die Frequenz der Meßwechselspannung kann z.B. l-lOkHz betragen.
Die Meßwechselsapnnung UM wird der Betriebsspannung UB überlagert und in den Hauptstromkreis 36 des Elektromagneten mittels eines Obertragers 32 eingekoppelt, wie Fig. 3 zeigt. Zu diesem Zweck liegt die eine Obertragerwicklung 34 des Obertrager 32 im Hauptstromkreis 36. Mittels eines Schalters 40 wird eine Spannungsquelle 38, welche die Betriebsspannung UB liefert, eingesçhaltet und abgeschaltet.
An den Klemmen A und B wird die Brückenspannung UAB abgenommen und über ein Filter 52 an einen Spannungsverstärker 42 gelegt, dann in einem Gleichrichter 44 gleichgerichtet und danach über einen Schwellwertschalter 46 einem Ausgangsverstärker 48 zugeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt: Zur Betätigung des Ankers 20 wird die Arbeitswicklung 14 durch die Betriebsspannung UB erregt bzw. entregt. Der Anker wird dadurch jeweils in eine seiner beiden Endstellungen umgeschaltet.
Die Brücke 22 wird abgeglichen, wenn sich der Anker 20 in einer seiner beiden Endstellungen befindet, wobei der Abgleich zweckmäßigerweise in Richtung der kleinsten Brückenspannung UAB erfolgt, wobei ein Abgleich dieser Spannung auf Null jedoch nicht erforderlich ist, da zur Auswertung und damit zur Bestimmung der Ankerstellung nur Induktivitätsänderungen bzw. Brückenspannungsänderungen dE UAB benutzt werden.
Die Brücke wird mittels des veränderbaren Widerstandes R4 abgeglichen.
Die Brücke 22 ist abgeglichen, wenn die Induktivitäten L1 und2 und die Widerstände R1 und R2 der beiden Teilwicklungen 16 und 18 sowie die Brückenwiderstände R3 undR4 im wesentlichen gleich sind.
Ist L1 ungleich L2 und R1 ungleich R1, so gilt L1/L2 = R1/R2 = R3/R4.
Der Stromkreis der Meßwechselspannung UM ist über die Spannungsquelle 38 geschlossen.
Bei abgeschalteter Versorgungsspannung bzw. Betriebsspannung UB muß der Umschalter 40 aus seiner in Fig. 3 dargestellten Position 1 in seine Position 0 umgeschaltet werden, wodurch der Stromkreis der Meßwechselspannung UM über eine Verbindungsleitung 56 geschlossen wird.
Wird nun der Anker 20 in seine andere Endstellung umgeschaltet, so ändert sich das Verhältnis der Induktivitäten L1/L2, wodurch die Brücke 22 verstimmt wird. Dies führt zu einer änderung der Brückenspannung UAB an den Klemmen A und B.
Diese Spannungsänderung d UAB wird nun zur Bestimmung der Hublage bzw. der Stellung des Magnetankers 20 ausgenutzt. Die Brückenspannung d UAB wird, wie bereits erwähnt, an das Filternetzwerk 52 gelegt, in welchem die das Meßsignal bildende Meßwechselspannung UAB (fM) ausgesiebt wird. Diese Spannung wird dann i dem Spannungsverstärker 42 verstärkt, in dem Gleichrichter 4: gleichgerichtet und über den Schwellwertschalter 46 dem Ausgangsverstärker 48 zugeführt.
Das Filternetzwerk 52 ist an sich nur dann erforderlich, wenn die Betriebsspannung UB eine Wechselspannung ist. Ist die Betriebs--spannung Uß hingegen eene Gleichspannung, so kann die Brückenspannung eN UAB direkt an den Verstärker 42 gelegt werden.
Durch die vorbeschriebene Schaltungsanordnung lassen s:ch die beiden Endstellungen des Magnetankers 20 bestimmen. Durch Messung der Brückenspannung UAB bei vorgegebenen beliebigen Zwischenstellungen des Ankers 20 können auch solche Zwischenstellungen des Ankers gemessen werden, d.h. die Hublage des Ankers kann auch analog dargestellt werden. Durch entsprechende Einstellung der Schwellwertspannung des Schwellwertschalters 46 kann ferner jede beliebige gewünschte Zwischenstellung des Ankers erfaßt werden.
Die Empfindlichkeit bzw. Genauigkeit der Messung kann gesteigert werden, wenn ein Teil der Arbeitswicklung vom magnetischen Hauptkreis räumlich so getrennt wird, daß die Induktivität dieses Wicklungsteiles unabhängig von der Ankerstellung ist. Hierdurch wird eine wechselseitige Beeinflussung der Induktivitäten, die im vorbeschriebenen Beispiel durch die gleichzeitige Inuktivitätsänderung von L1 und L2 vorhanden ist vermieden.
Die Aufteilung der Arbeitswicklung wird jedoch in diesem Fall aus technisch-wirtschaftlichen Größen nicht symmetrisch erfolgen können, da der Magnetfluß des räumlich abgetrennten Wicklungsteiles bezüglich des Ankers unwirksam bleibt.
Da jedoch bei dieser Ausführungsform, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, die ohmschen Widerstände der beiden Teilwicklungen unterschiedlich sind, führt dies zu einer Verschlechterung des Temperaturverhaltens.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist eine Meßbrücke nicht erforderlich, auch ist es nicht notwendig, die Arbeitswicklung 14 in Teilwicklungen zu unterteilen.
In den Hauptstromkreis 36 ist statt dessen in Reihe mit der Arbeitswicklung 14 ein ohmscher Widerstand 50 geschaltet.
Es wurde bereits erläutert, daß sich die Induktivität der Arbeitswicklung 14 mit der Stellung des Magnetankers 20 verändert. Diese Veränderung der Induktivität führt zu einer Anderung des Scheinwiderstandes Z der Arbeitswicklung 14 und damit zu einer Anderung des Meß-Wechselstromes 1M = UM/Z.
Der Meßwechselstrom IM verursacht zusammen mit dem Betriebsstrom 1B am Widerstand 50 einen Spannungsabfall UA. Diese Spannung UA wird an das Filternetzwerk 52 gelegt, in welchem die das Meßsignal bildende Wechselspannung US ausgesiebt wird. Die Spannung US wird dann, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3, zur weiteren Auswertung an den Spannungsverstärker 42 gelegt, dann im Gleichrichter 44 gleichgerichtet und danach über den Schwellwertschalter 46 an den Ausgangsverstärker 48 gelegt. Entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 3 muß auch bei der Ausführungsform nach Fig. 4 zunächst die Spannung UA (d.h. der Spannungsabfall am Widerstand 60) in jeder der beiden Endstellungen des Magnetankers 20 bestimmt werden. Ferner können auch bei der Ausführungsform nach Fig. 4 durch entsprechende Eichung, d.h. Messung der Spannung UA in vorgegebenen Zwischenstellungen des Ankers 20, solche Zwischenstellungen während des Betriebes erfaßt und die Hublage des Ankers analog dargestellt werden.
Es soll noch erwähnt werden, daß eine Messung der Ankerstellungen auch mit Hilfe eines Oszillatorschwingkreises möglich ist. In einem solchen Schwingkreis ist die Arbeitswicklung des Elektromagneten das frequenzbestimmende Element. Eine Induktivitätsänderung der Arbeitswicklung verursacht eine Frequenzänderung bzw. Dämpfung des Schwingkreises. Diese Frequenzänderung bzw. Dämpfung kann zur Bestimmung der Stellung des Magnetankers ausgenutzt werden.
Die Betriebsspannung UB kann eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein.
Leers'ite

Claims

Patentansprüche 9 Vorrichtung zur berührungslosen Bestimmung der Schaltstellung des Ankers eines Elektromagneten durch Veränderung der Induktivität einer Meßspule in Abhängigkeit von der Ankerstellung, insbesondere für elektromagnetisch gesteuerte Ventile, dadurch s nzeichnetf daß die Arbeitswicklung (14) des Elektromag ten (10), mittels welcher der Magnetanker (20) geschaltet wird, gleichzeitig wenigstens zum Teil die Meßspule für die Stellungsanzeige des Magnetankers (20) bildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Arbeitswicklung (14) des Elektromagneten (10) gleichzeitig die Meßspule für die Stellungsanzeige des Ankers bildet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßwechselspannung (UM) in den Hauptstromkreis des Elektromagneten (10) mittels eines Obertragers (32) eingekoppelt wird.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitswicklung (14) in zwei Teilwicklungen (16, 18) unterteilt ist und jeweils eine Teilwicklung (16 bzw. 18Y in einem Zweig einer Meßbrücke (22) liegt, in deren beiden anderen Zweigen je ein Widerstand (R3 bzw. R4) liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilwicklungen (16, 18) im wesentlichen gleiche Indr',tivität und gleichen ohmschen Widerstand haben.
6 Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden ohmschen Widerstände (R3 bzw. R4) veränderbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung der Meßempfindlichkeit ein Teil der Arbeitswicklung vom magnetischen Hauptkreis des Elektromagneten (10) räumlich derart getrennt ist, daß die Induktivität dieses Wicklungsteiles von der Stellung des Magnetankers (20) unabhängig ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Hauptstromkreis des Elektromagneten (10) in Reihe mit der Arbeitswicklung (14) ein Widerstand (50) liegt, an welchem eine von der Stellung des Magnetankers (20) abhängige Spannungsänderung (UA) abgreifbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filternetzwerk (52) vorgesehen ist, um aus der gesamten Spannungsänderung (UA) die das Meßsignal bildende Wechselspannung (U5)auszusieben.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Meßbrücke (22) abgreifbare Brückenspannung (UAB) an ein Filternetzwerk (52) gelegt ist, um die das Meßsignal bildende Wechselspannung (UAB (um)) auszusieben.