DE3817817A1 - Transformatorischer weggeber und betriebsverfahren hierfuer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen transformatorischen Weggeber nach der Gattung des Patentanspruchs 1. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur Ansteuerung eines solchen transforma­ torischen Weggebers nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 4.

Es sind bereits transformatorische Weggeber bekannt, bei denen auf einem geschlossenen Kern aus geschichteten Blechen, der die Primärspule und wenigstens eine Sekundär­ spule wirkungsmäßig miteinander verbindet, ein geschlosse­ ner Ring aus einem elektrisch gut leitenden Werkstoff ver­ schoben werden kann. Dieser Ring wirkt für den in den Kern­ blechen herrschenden magnetischen Fluß als örtlicher sehr hoher Widerstand. Die Kernbleche sind so geformt, daß sich etwa parallel zur Erstreckung der Primärspule der Kurz­ schlußring über einen weiteren freien Schenkel des Kerns bewegen läßt. Je nach Stellung des Rings bezüglich der Primärspule wird ein mehr oder weniger großer Anteil des von der Primärspule erzeugten magnetischen Flusses in den die Sekundärspule einschließenden magnetischen Kreis einge­ speist. Die Primärspule wird dabei mit einem eingeprägten sinusförmigen Strom betrieben, der den Kernwerkstoff nicht in die Sättigung treibt.

Es ist auch bereits bekannt, daß sich solche transforma­ torischen Weggeber mit einem rechteckförmigen Erregerstrom betreiben lassen.

Weiter ist es bekannt, zur Verbesserung der Linearität und zur Verringerung von Temperatureinflüssen auf das Übertra­ gungsverhalten solche transformatorischen Weggeber mit zwei Sekundärspulen in symmetrischer Anordnung zur Primärspule zu versehen und deren Ausgangsspannungen voneinander zu subtrahieren (Differentialweggeber). Die Auswertung kann auch dadurch erfolgen, daß die beiden Sekundärspulen als induktiver Spannungsteiler geschaltet werden und die am Mittelanschluß abgegriffene Spannung phasenecht gleichge­ richtet wird. Ebenso lassen sich die beiden Sekundärspulen zum Aufbau eines Multivibrators mit zwei tastverhältnisbe­ stimmenden L-R-Gliedern verwenden; die Auswertung kann digital durch Auszählen des Tastverhältnisses oder analog erfolgen.

Ein älterer Vorschlag der gleichen Anmelderin hat einen Positionssensor zur Ableitung eines von einer Position abhängigen elektrischen Signals zum Inhalt. Bei diesem Positionssensor ist ein Transformator mit einer Primär­ spule, einer Sekundärspule und einem aus ferro-magnetischem Werkstoff gebildeten magnetischen Kreis vorgesehen, dessen Kopplungsgrad durch ein bewegbares Zwischenstück veränder­ bar ist.

Zur Lösung der dort vorliegenden Aufgabe, nämlich einen Positionssensor anzugeben, der über einen weiten Winkelbe­ reich einen annähernd linearen Zusammenhang zwischen der Stellung des beweglichen Teils des magnetischen Kreises und dem elektrischen Ausgangssignal herstellt und keinem mecha­ nischen oder chemischen Verschleiß unterliegt, besteht der magnetische Kreis des vorgeschlagenen Positionssensors im wesentlichen aus einem Werkstoff mit plötzlichem Eintritt in den Bereich der Sättigungsfeldstärke und geringer Koerzitivkraft. Dabei wird nach einer Ausführungsform die Primärspule mit einem Strom mit dreieckförmigem und nach einer zweiten Ausführungsform mit einem Strom mit sägezahnförmigem Verlauf beaufschlagt. Durch die Verbindung der beiden Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß das elek­ trisch Ausgangssignal aus Impulsen besteht, deren Breite für die Position des beweglichen Teils des magnetischen Kreises kennzeichnend ist. Derartige pulsbreitenmodulierte Signale lassen sich zwar mittels elektronischer Einrichtun­ gen leicht auswerten, jedoch sind umfangreiche Konstrukti­ ons- und Schaltungsmaßnahmen wie die doppelte Anordnung des Positionssensors und die gegensinnige Betätigung zum Aus­ gleich der bestehenden Temperaturabhängigkeit erforderlich.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen transformatorischen Weggeber nach dem Gattungsbegriff so weiterzubilden, daß über einen weiten Winkelbereich ein weitgehend linearer Zusammenhang zwischen der Stellung des beweglichen Teils des magnetischen Kreises und dem elektri­ schen Ausgangssignal besteht und dieses Signal mittels digital arbeitender Einrichtungen leicht auswertbar ist. Gleichzeitg soll der grundsätzlich vorhandene Temperatur­ gang bei einfachem, platz- und kostensparendem Aufbau kompensiert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem transformatori­ schen Weggeber nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit den im kennzeichnenden Teil dieses Patentanspruchs angegebenen Maßnahmen. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß das elektrische Ausgangssignal aus Impulsen besteht, deren Form in direkter Beziehung zu der erkannten Position steht. Weiter ist vorteilhaft, daß sich ein solches Ausganssignal mittels elektronischer Einrichtungen, insbesondere solche mit einem Mikrocomputer, leicht auswerten läßt.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfin­ dungsgemäßen transformatorischen Weggebers ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Primärspule ein Strom mit dreieckförmigem Verlauf eingeprägt wird, eine andere, daß der eingeprägte Strom einen sägezahnförmigen Verlauf aufweist. Die Erfin­ dung läßt zahlreiche weitere Ausführungsformen zu.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen transformatorischen Weggebers,

Fig. 2 den Verlauf und die Grenzen der Magnetisierungs­ kennlinie,

Fig. 3 das Impuls-Zeit-Diagramm einer ersten Ausfüh­ rungsform,

Fig. 4 das Impuls-Zeit-Diagramm einer von Fig. 3 abwei­ chenden zweiten Ausführungsform

Fig. 5 schematisch das Tastverhältnis der in den beiden Sekundärspulen erzeugten Spannungsimpulse.

In Fig. 1 ist mit 1 der magnetische Kreis bezeichnet, der ganz oder teilweise aus geschichteten Blechen eines ferro­ magnetischen Werkstoffes mit ausgeprägtem Sättigungsknick und geringer Koerzitivkraft aufgebaut ist. Der magnetische Kreis 1 weist im wesentlichen zwei parallel zueinander ver­ laufende Schenkel 2, 3 auf, die durch kurze Verbindungs­ stege 4, 5 miteinander verbunden sind. Die beiden Schenkel 2, 3 weisen dabei einen gleichmäßigen Abstand voneinander auf und sind in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 um einen gemeinsamen Mittelpunkt gekrümmt. Der äußere Schenkel 2 ist über den größten Teil seiner Länge gleichmäßig mit den Windungen einer ersten Spule 6, der Primärspule, bewickelt. Zwei baugleiche Sekundärspulen 7, 8 sind jeweils auf den Verbindungsschenkeln 4, 5 aufgebracht. Der innere Schenkel 3 des magnetischen Kreises 1 ist nicht bewickelt. Er wird auf seiner gesamten Länge von einem Kurzschlußring 9 bestrichen, der im gemeinsamen Mittelpunkt 10 mittels einer Speiche 11 verschwenkbar gelagert ist. Der Kurz­ schlußring 9 besteht aus einem elektrisch gut leitenden Material, z.B. Kupfer, in geeigneter Abmessung und stellt für den bei Beaufschlagung der Primärspule 6 durch einen Wechselstrom im Schenkel 3 herrschenden Magnetfluß einen sehr hohen magnetischen Widerstand dar. Der im magnetischen Kreis 1 durch die Primärspule 6 erzeugte magnetische Fluß phi teilt sich daher in die beiden Teilflüsse phi 1 und phi 2 auf, die sich jeweils über die Luft schließen. Dabei ist, das Verhältnis der Teilströme phi 1 : phi 2 von der Stel­ lung des Kurzschlußrings abhängig. In erster Näherung besteht für jeden Teilfluß phi 1, phi 2 ein linearer Zusam­ menhang zwischen der in den jeweiligen Teilfluß einbezoge­ nen Anzahl der Windungen der Primärspule 6 zu beiden Seiten des Kurzschlußrings 9.

Drahtstärke und Windungszahl der Spule 6 sowie der in der fließende periodische Wechselstrom sind so gewählt, daß der ferromagnetische Werkstoff des magnetischen Kreises 1 mit ausgeprägtem Sättigungsknick und geringer Koerzitivkraft jeweils bis in die Sättigung getrieben wird, wobei sich das in Fig. 2 wiedergegebene Magnetisierungsdiagramm ergibt. Bei einem großen Anteil der für die Entstehung des magneti­ schen Flusses ursächlich beteiligten Windungen der Primär­ spule 6 (entsprechend ungefähr phi max.) ergibt sich der mit 12 bezeichnete Verlauf der Magnetisierungskennlinie. Bei nur teilweiser Kopplung, d.h. bei einem geringen Anteil der für einen Teilfluß ursächlichen Anzahl der Windungen der Primärspule 6 ergibt sich ein langsamerer Anstieg des magnetischen Flusses entsprechend dem Verlauf der Linie 13 im Diagramm nach Fig. 2. Durch geeignete Dimensionierung des magnetischen Kreises, der Primärspule und des Kurz­ schlußringes kann ein linearer Zusammenhang zwischen der Winkelauslenkung des Kurzschlußrings 9 und der Flußan­ stiegsgeschwindigkeit herbeigeführt werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Primärspule 6 eine Wechselspannung zugeführt, die einen Stromverlauf nach Fig. 3a zur Folge hat. Entsprechend sind an den Sekundärspulen 7, 8 die Spannungen U 7 und U 8 abgreifbar, die entsprechend den Diagrammen nach Fig. 3b und 3c verlaufen. Einer Stellung des Kurzschlußrings 9 nahe der Sekundärspule 8 entspricht ungefähr phi max., die Stel­ lung des Kurzschlußrings nahe der Sekundärspule 7 ent­ spricht ungefähr phi min. Die Periodendauer T der Spannun­ gen U 7, U 8 sind durch den Verlauf des eingeprägten Stroms I in der Primärspule 6 vorgegeben. Dabei ist für den Wechsel­ strom in der Primärspule zweckmäßigerweise ein Gleichstrom­ anteil solcher Größe vorgesehen, daß die Magnetisierungs­ kennlinie des magnetischen Kreises lediglich in eine Quadranten durchfahren wird. Das Tastverhältnis t : T ändert sich daher in Abhängigkeit von der Stellung des Kurz­ schlußrings 9. Wird der Sättigungsknick Br bei guter magne­ tischer Kopplung, d.h. bei einer großen Zahl wirksamer Windungen der Primärspule 6, für den betreffenden magneti­ schen Teilkreis im Zeitdiagramm nach Fig. 3a bei I 1 bzw. im Magnetisierungskennliniendiagramm nach Fig. 2 bei H 1 erreicht, so ergibt sich als Tastverhältnis für die Span­ nung U 7 in der Sekundärspule 7 t 1 : T und für die Spannung U 8 in der Sekundärspule 8 t 4 : T. Entsprechend ergibt sich für die jeweilige Sekundärspule bei geringer magnetischer Kopplung eine Erreichen des Sättigungsknicks im Zeitdia­ gramm nach Fig. 3 bei dem Strom I 2 bzw. im Magnetisie­ rungskennliniendiagramm nach Fig. 2 bei H 2 und damit ein Tastverhältnis t 2 : T für die Spule 7 und t 3 : T für die Spule 8. In der realen Darstellung nach Fig. 1 ist ersichtlich, daß jeweils eine maximale Kopplung einer Sekundärspule eine minimale Kopplung der anderen Sekundär­ spule an die Primärspule zur Folge hat. Entsprechend erge­ ben sich Tastverhältnisse, deren Größen gegensinnig von der Stellung des Kurzschlußrings 9 beeinflußt werden. Einem großem Tastverhältnis t 1 : T in der Sekundärspule 7 ent­ spricht ein kleines Tastverhältnis t 2 : T in der Sekundär­ spule 8. Umgekehrt entspricht ein kleines Tastverhältnis t 3 bei gleicher Stellung des Kurzschlußrings einem großen Tastverhältnis t 4 : T für die Spule 8.

Entsprechend ergeben sich im Zeitdiagramm nach Fig. 4 für einen sägezahnförmigen Stromverlauf in der Primärspule 6 (Fig. 4a) die Spannungsdiagramme entsprechend den Darstel­ lungen in Fig. 4b bzw. 4c jeweils für annähernd minimale bzw. maximale Kopplung der Sekundärspulen 7, 8 an die Primärspule 6. Auch dort ist wieder erkennbar, daß einer minimalen Kopplung einer Sekundärspule in einer Diagramm­ hälfte eine maximale Kopplung der anderen Sekundärspule in der anderen Diagrammhälfte entspricht. Es ist erkennbar, daß bei dem sägezahnförmigen Stromverlauf nach Fig. 4a die Änderung der Kopplung von I 1 nach I 2 in der ansteigenden Flanke eine wesentlich geringere zeitliche Änderung bewirkt als bei einer Kurvenform des Stromes nach Fig. 3. Durch die Wahl der periodischen Stromkurven lassen sich daher in einfacher Weise die Tastverhälntisse in ihrer Größe an vor­ gegebene Bedingungen anpassen.

Die Auswertung der Kurzschlußringstellung als Tastverhält­ nis der elektrischen Signale ergibt den Vorteil, daß die Stromumkehrpunkte nicht scharfkantig sein müssen, was im allgemeinen nur durch erhöhten technischen Schaltungsauf­ wand zu realisieren ist. Bei einem Stromverlauf entspre­ chend Fig. 4 kann die Forderung nach scharfkantigem unterem Stromumkehrpunkt entfallen.

Die Werkstoffkennlinien von kristallinen und amorphen Metallen sind temperaturabhängig. Die Temperaturkennlinien entstehen also unter Berücksichtigung eines Temperaturfak­ tors. Werden die Signale mit den Tastverhältnissen t 1 : T und t 3 : T bzw. t 2 : T und t 4 : T einer Auswerteschaltung zugeführt, in welcher der Quotient gebildet wird, dann fallen die an der Entstehung der Kennlinie beteiligten Tem­ peraturkoeffizienten heraus. In gleicher Weise wird der Einfluß des Temperaturkoeffizienten unterdrückt, wenn die Zeilen t 1, t 3 zu den Zeiten t 2, t 4 in Beziehung gesetzt werden. Der erfindungsgemäße, transformatorische Weggeber erzeugt daher Ausgangssignale, die frei von primären Temperatureinflüssen sind.

Die Erzeugung eines binären Signals bietet darüber hinaus gegenüber analogen Signalen den Vorteil der geringeren Störanfälligkeit, beispielsweise durch den Einfluß von Übergangswiderständen, und die Möglichkeit zur Plausibili­ tätsüberwachung, wobei z.B. Plus- oder Massekurzschlüsse eindeutig erkannt werden können. Außerdem sind die Tastver­ hältnisse besonders einfach mittels Mikroprozessoren aus­ wertbar.

Claims (10)

1. Transformatorischer Weggeber mit einem geschlossenen magnetischen Kreis aus ferromagnetischem Werkstoff, mit einer ersten Spule (Primärspule) auf einem ersten langgestreckten Schenkel des magnetischen Kreises, die durch einen Wechselstrom beaufschlagt ist, mit wenig­ stens zwei weiteren zweiten Spulen (Sekundärspulen), die durch den magnetischen Kreis wirkungsmäßig mit der ersten Spule verbunden sind, und mit einem längs eines zweiten, im wesentlichen parallel zur ersten Spule verlaufenden zweiten Schenkel des magnetischen Krei­ ses, der durch einen geschlossenen Ring (9) aus elek­ trisch gut leitendem Werkstoff umfaßt ist und der nach Maßgabe des anzugebenden Weges über den zweiten Schen­ kel bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis (1) im wesentlichen aus einem Werk­ stoff mit plötzlichem Eintritt in den Bereich der Sättigungsfeldstärke und geringer Koerzitivkraft besteht.

2. Transformatorischer Weggeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schenkel (2) und der zweite Schenkel (3) des magnetischen Kreises um einen gemeinsamen Mittelpunkt (10) gekrümmt sind und daß der geschlossene Ring (9) um diesen gleichen Mittelpunkt (10) bewegbar ist.

3. Transformatorischer Weggeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zweiten Spulen (7, 8) symmetrisch zur ersten Spule (6) angeordnet sind.

4. Verfahren zum Betrieb eines transformatorischen Wegge­ bers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spule (6) mit einem eingeprägten Strom konstanter Periode beauf­ schlagt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeprägte Strom eine derartigen Gleichstroman­ teil aufweist, daß die Magnetisierungskennlinie des magnetischen Kreises lediglich in einem Quadranten durchfahren wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeprägte Strom einen dreieckförmigen Verlauf aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstiegs- und Abfallzeiten des eingeprägten Stromes im wesentlichen gleich gewählt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeprägte Strom einen sägezahnförmigen Verlauf aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer bestimmten Lage des geschlossenen Rings im Raum die Zeitdauer der Perioden der Nullspannung (t 1, t 2, t 3, t 4) der in den zweiten Spulen 7, 8 induzierten Spannungen U 7, U 8 zur Gesamt­ dauer einer Periode T in Beziehung gesetzt werden und die so gebildeten Tastverhältnisse zur Quotientenbil­ dung herangezogen werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Lage des geschlossenen Rings im Raum die Zeitdauern der Peri­ oden der Nullspannung (t 1, t 3) zu den Zeitdauern der Perioden der Nullspannung (t 2, t 4) zur Quotientenbil­ dung herangezogen werden.