DE4337208A1 - Induktiver Weggeber - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem induktiven Weggeber nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Induktive Weggeber, beispielsweise in der Form von Differentialspulenanordnungen bzw. Systemen, bei denen ein in Abhängigkeit zum zu messenden Weg verschiebbarer Magnetkern die Kopplung zwischen Primär- und Sekundär­ spulen beeinflußt, sind in vielfältiger Form bekannt; die gewonnen Ausgangskurven als Spannung über dem zu messenden Weg haben dabei üblicherweise eine schwach gekrümmte, schräg liegende S-Form, wobei durch die Kernverschiebung jeweils eine andere Kopplung zu den Sekundärspulen zustande kommt, so daß in diesen über den von der Magnetspule ausgehenden Fluß jeweils un­ terschiedliche Spannungen induziert werden. Dabei läßt sich theoretisch zeigen, daß sich eine geometrische Dreiecksform der Sekundärspulen als für eine möglichst angenähert lineare Messung als optimal herausgestellt hat, d. h. daß durch die Kernverschiebung Flußverhält­ nisse erzeugt werden, die sich, nicht zuletzt aufgrund einer rotationssymmetrischen Struktur der Meßspulen­ anordnung und eines entsprechend ausgebildeten Rück­ schlußmantels in einem nahezu linearen Ausgangssignal ausdrücken lassen, vorausgesetzt man verbleibt im mitt­ leren Bereich der S-Kurvenform, wodurch auch sonstigen Asymmetrien begegnet werden kann.

Ein weiteres Problem bei solchen induktiven Gebern besteht allerdings darin, daß sich die Meßgenauigkeit beeinflussende Temperaturprobleme ergeben, denen man praktisch nicht ausweichen kann, allein schon deshalb nicht, weil eine Stromversorgung der Primärspule un­ ausweichlich ist. Der Grund hierfür besteht darin, daß sich der Ohm′sche Anteil der Spule, also die Kupfer­ wicklung der Primärspule bei angelegter, üblicherweise durchaus hochkonstanter Spannung erwärmt, wodurch sich der Kupferwiderstand ändert. Dies führt dazu, daß die an der Induktivität anliegende wirksame Spannung, wenn man sich beispielsweise das Reihenersatzschaltbild einer mit Ohm′schen Verlusten behafteten Spule vor Augen hält, ebenfalls beeinflußt wird, nämlich übli­ cherweise abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Pro­ blem zu lösen und bei einem induktiven Weggeber dafür zu sorgen, daß Genauigkeitsverluste, die sich beim normalen Betrieb des Systems allein durch die Span­ nungsversorgung ergeben, vermieden werden können.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hat den Vorteil, daß unabhängig vom Verhalten der das Meßsystem mit Energie versor­ genden Primärspule in Abhängigkeit zur Umgebungstem­ peratur bzw. des sie speisenden Stromes sichergestellt ist, daß eine konstante magnetische Durchflutung auf­ rechterhalten ist, auf die es bei einem induktiven Weggeber allein ankommt. Es gelingt der Erfindung also, die Flußverhältnisse bzw. den von der Primärspule aus­ gehenden Gesamtfluß konstant zu halten, unabhängig von der Position des sich wegabhängig ändernden Kerns, so daß die von der Sekundärspule bzw. den jeweiligen Sekundärspulen aufgenommene magnetische Durchflutung ausschließlich eine Funktion der Kernposition ist und sich mit dieser ebenso ausschließlich ändert.

Dies begünstigt nicht nur die Linearität entschei­ dend, sondern sorgt dafür, daß unabhängig davon, ob das Meßsystem sich an einem gut durchlüfteten Platz befindet oder ob Wärmestauungen auftreten, stets das gleiche Meßergebnis bei gleicher Kernposition erzielt wird, indem direkt auf die magnetische Durchflutung abgestellt wird.

Die Erfindung ermöglicht es daher, nicht nur durch eine konstante Versorgungsspeisespannung für die Primärspule auch den von ihr ausgehenden magnetischen Fluß möglichst konstant zu halten, was bisher versucht wurde, sondern löst sich von dieser Vorstellung, erfaßt den von der Primärspule ausgehenden Fluß direkt und regelt diesen auf einen konstanten Wert.

Zu diesem Zweck ist eine dritte Wicklung als stationäre Regelwicklung vorgesehen, die den von der Primärwicklung erzeugten magnetischen Fluß erfaßt, also auch in der hierzu erforderlichen geometrischen Position angeordnet ist. Die in dieser dritten Regelwicklung induzierte Spannung wird mit einer konstanten Sollwertspannung, die insofern einem konstanten Magnetfluß entspricht, ver­ glichen und die Speisespannung für die Primärspule ent­ sprechend nachgeregelt, beispielsweise indem man deren Speiseoszillator als amplitudengeregelten Oszillator aus­ bildet.

Die in der Regelspule induzierte Spannung, die Regel­ spannung, wird also mit einer konstanten Sollwert­ spannung verglichen. Dies führt dazu, daß bei Abwei­ chungen die Amplitude der Oszillatorspannung für die Primärspule erhöht oder erniedrigt wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist die rota­ tionssymmetrische Ausbildung der Meßapparatur, wobei die stationäre Regelspule in ihren geometrischen Abmessungen den Abmessungen der Primärspule entspricht und diese um­ gebend zwischen der Primärspule und der bzw. den Sekun­ därspulenwicklungen sitzt, so daß es genau die Durch­ flutung ist, die auch die Meßspannung in den Sekundär­ spulen induziert, die von der stationären Regelspule erfaßt wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisiert eine mögliche Ausführungsform eines induktiven Weggebers mit entsprechend dem zu messenden Weg verschiebbaren Magnetkern;

Fig. 2 das Diagramm der eine leicht S-förmige Form aufweisenden Ausgangsspannung eines induktiven Weggebers über dem Weg und

Fig. 3 in Form eines Blockschaltbilds den Regelkreis zur Konstanthaltung des Magnetflusses bei einem induktiven Weggeber, während die

Fig. 4 und 5 einen entsprechenden Aufbau und ent­ sprechende Verhältnisse bei einem Differential­ drosselsystem darstellen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, bei einem induktiven Weggeber zu Meßfehlern führende Temperatur­ effekte dadurch zu beseitigen, daß man unmittelbar auf die durch die Primärspule vorgegebenen Flußverhältnisse Einfluß nimmt und den auf die Sekundärspulen einwirken­ den magnetischen Fluß konstant hält, natürlich mit Aus­ nahme der sich aufgrund der Kernverschiebung ergebenden Durchflutungsänderungen, so daß ausschließlich noch diese, für den Meßvorgang gewünschte Abhängigkeit der in der oder den Sekundärspulen induzierten Spannung den Meßwert bestimmt.

In Fig. 1 trägt die Primärspule des dort rotations­ symmetrisch dargestellten induktiven Weggebers 10 das Bezugszeichen 11, die Sekundärspule 12 weist, in etwa von der geometrischen Mitte ausgehend, eine ausgeprägte Dreiecksform auf, die sich für die Gewinnung von so linear wie möglich verlaufenden Meßausgangswerten als optimal erwiesen hat - vgl. auch die Diagrammdarstellung der Fig. 2, die den Verlauf der Ausgangsspannung in Ab­ hängigkeit zum Weg eines Magnetkerns 13 darstellt, der sich im zentralen Hohlraum der Primärspule 11 längsver­ schieblich entsprechend dem Doppelpfeil A bewegen läßt und dessen jeweilige Position bzw. Verschiebung eine je­ weils andere Kopplung der Primärspule 11 mit der oder den Sekundärspulen 12 bedeutet, so daß sich die S-Form der Ausgangsspannung U_A über dem Weg entsprechend Fig. 2 ergibt. Üblicherweise ist das ganze Meßsystem über einen äußeren Rückschlußmantel 14 zur Bündelung und Führung der magnetischen Feldlinien abgeschlossen, so daß eine der Hauptursachen für Linearitätsänderungen und Fehler in der Meßgenauigkeit darin zu suchen ist, daß sich auf das Meßsystem Temperatureffekte auswirken, die dazu führen, daß der von der Primärspule 11 ausgehende Magnetfluß nicht konstant ist, d. h., daß sich die in der Sekundärspule 12 induzierte Spannung nicht nur in Abhängigkeit zur durch die Kernverschiebung veränderten Kopplung verändert, sondern auch noch in Abhängigkeit zur jeweiligen Temperatur beispielsweise der Kupfer­ wicklung der Primärspule, wie eingangs schon erwähnt.

Es ist daher noch eine Zwischenwicklung als stationäre Regelspule 15 vorgesehen, die sich zwischen der Primär­ spule 11 und der Sekundärspule 12 befindet und sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel rotations­ symmetrisch und im Umfang der Primärspule und in der Länge deren geometrischen Abmessungen entsprechend erstreckt.

Diese stationäre Regelspule wird ebenfalls von dem von der Primärspule 11 ausgehenden magnetischen Fluß durchflutet, so daß in ihr eine Spannung induziert wird, die entsprechend dem Blockschaltbild der Fig. 3 als sich mit der Kernverschiebung nicht ändernde Aus­ gangsregelspannung U_R ergibt und einem Vergleicher 16 zugeführt sein kann, der die in der Regelspule 15 in­ duzierte, dem magnetischen Fluß der Primärspule abso­ lut proportionale Regelspannung mit einem festen Soll­ wert vergleicht. Bei entsprechender Abweichung, was einer entsprechenden Änderung der auf die Primärspule 11 zurückzuführenden magnetischen Kraftlinie ent­ spricht, wird der die Speisespannung für die Primär­ spule 11 erzeugende Oszillator 17 im Sinne einer Wie­ derherstellung der ursprünglichen Flußverhältnisse angesteuert, also beispielsweise zur Erzeugung einer Speisespannung für die Primärspule 11 mit größerer Amplitude veranlaßt.

Diese zusätzliche Regelspule 15 stellt daher mit gerin­ gem Aufwand sicher, daß eine wesentliche Fehlergröße bei induktiven Weggebern beseitigt bzw. auf durchaus unschädliche Einflußgrößen reduziert wird, wobei nicht auf Zwischengrößen abgestellt wird, sondern direkt der von der Primärspule ausgehende Fluß als im Grunde einzig maßgebende Größe für die Genauigkeit des induk­ tiven Weggebers erfaßt und auf konstante Werte geregelt wird.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbei­ spiel vorliegender Erfindung unter Zugrundelegung eines Differentialdrosselsystems, also in Form eines indukti­ ven Weggebers mit Differentialdrossel und verschiebbarem Kern. Auch hierbei wird der magnetische Fluß innerhalb der Drosselspule mit Hilfe einer Regelspule 15′ erfaßt und unter Zugrundelegung des gleichen, weiter vorne schon beschriebenen Prinzips mit Hilfe eines die Differentialdrossel 12′ speisenden, in seiner Amplitude geregelten Oszillators 17′ konstant gehalten.

Dabei erfolgt die Spannungsinduktion bei dem Ausführungs­ beispiel der Fig. 1, 2 und 3 nach der Formel

wobei R die magnetische Induktion ist. Bei diesem Sekundärspulen-Meßprinzip entsprechend Fig. 1 und 3 wird also über die Geometrie der Sekundärspulen 12 (wie in der Zeichnung dargestellt von den Rändern zur Mitte abfallend dreieckförmig verlaufend) die Windungszahl N verändert, so daß gilt

N = N (x),

so daß die Windungszahl N die Funktion des Ortes x ist.

Im Übergang zum Differentialdrosselsystem läßt sich die Gleichung (1) wie folgt umformen:

wobei für eine Zylinderspule gilt:

Aus (2) und (3) ergibt sich dann:

mit L = Selbstinduktivität, so daß die Regelung beim Differentialdrosselprinzip entsprechend den Fig. 4 und 5 auf eine Konstanthaltung des Stroms I durch die Ampli­ tudenregelung des Speiseoszillators 17′ hinausläuft, über die Funktion der Regelspule 15′.

Entsprechend Fig. 5 ist dabei die Differentialdrossel 12′ mit Mittelanzapfung in Form einer Brückenschaltung ausgebildet, beispielsweise mit parallelen Widerständen des normierten Wertes EINS und Erfassung des Meßwerts über Anzeigemittel 18′ im Querzweig.

Abschließend wird darauf hingewiesen, daß die Ansprüche und insbesondere der Hauptanspruch Formulierungsversuche der Erfindung ohne umfassende Kenntnis des Stands der Technik und daher ohne einschränkende Präjudiz sind. Daher bleibt es vorbehalten, alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale sowohl einzeln für sich als auch in beliebiger Kombi­ nation miteinander als erfindungswesentlich anzusehen und in den Ansprüchen niederzulegen sowie den Hauptan­ spruch in seinem Merkmalsgehalt zu reduzieren.

Claims (5)

1. Induktiver Weggeber mit Primärspule, verschiebba­ rem Kern und die Meßspannung in Abhängigkeit zur Verschiebung des Kerns erzeugender Sekundärspule, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte, stationäre den von der Primärspule (11) ausgehenden magneti­ schen Fluß erfassende Regelspule (15) vorgesehen ist, deren Ausgangsspannung zur Konstanthaltung des magnetischen Flusses der Primärspule ausge­ wertet wird.

2. Induktiver Weggeber nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in der Regelspule (15) in­ duzierte, dem von der Primärspule ausgehenden Fluß proportionale Ausgangsspannung als Regelspannung zu einem Vergleicher (16) zugeführt ist, dort mit einer konstanten Vergleichsspannung vergli­ chen wird und bei Regelabweichung der die Primär­ spule (11) speisende Oszillator (17) angesteuert wird.

3. Induktiver Weggeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Speisespannung für die Primärspule (11) erzeugende Oszillator (17) ein amplitudengeregelter Oszillator ist.

4. Induktiver Weggeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Regelspule in ihren geometrischen Abmessungen so ausgebildet und dem Aufbau der Primärspule (11) angepaßt ist, daß un­ abhängig von der Bewegung des den jeweils zu messenden Weg angebenden Magnetkerns (13) der gesamte von der Primärspule ausgehende Fluß erfaßt und ausgewertet wird.

5. Induktiver Weggeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule als mitten-angezapfte Differentialdrossel (12 t), insbe­ sondere als Teil einer Brückenschaltung, ausgebildet ist und durch den vom Vergleicher (16′) in seiner Amplitude geregelten Speiseoszillator (17′) für die Differentialdrossel (12′) der diese durchfließende Strom konstant gehalten wird.