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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine magnetostriktive positionsmessende Vorrichtung mit hoher Meßgenauigkeit.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Vorrichtung, die
einen vereinfachten Aufbau und eine verbesserte Meßgenauigkeit
im Hinblick auf herkömmliche
Wandler ermöglicht.
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Die Position wird unter Verwendung
eines Positionsmarkers vom magnetischen Typ gemessen.
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Insbesondere umfasst eine Vorrichtung
der oben angeführten
Bauart eine Röhre,
die aus einer Speziallegierung hergestellt ist, welche von einem Kupferleiter
gekreuzt wird, an den ein Stromimpuls angelegt wird. Der Kupferleiter
muss den Stromimpuls von dem einen Ende der Legierungsröhre zu dem
anderen leiten und den Stromimpuls zu dem Ausgangspunkt zurückbringen,
um den Kreis zu schließen.
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Ein Positionsmarker (Permanentmagnet)
bestimmt die Messung der Position des Arbeitsbereichs für den Wandler.
Die Feldlinien des Positionsmarkers verlaufen senkrecht zu dem Wirbelfeld,
das durch den Stromimpuls in der Legierungsröhre erzeugt wird, und sammeln
sich auch in dem Meßpunkt.
In diesem Punkt stehen die Magnetfelder miteinander in Wechselwirkung
und verursachen in der Mikrozone des Aufbaus eine elastische Torsionsverformung
aufgrund einer magnetostriktiven Wirkung. Diese Verformung ist in
jeder Hinsicht eine mechanische Torsionswelle, die sich in den beiden
Richtungen der Röhre
ausbreitet. An dem einen Ende wird die Ausbreitung der mechanischen
Welle durch angepasste Dämpfungsmittel
gedämpft,
während
an dem gegenüberliegenden
Ende die mechanische Welle mittels eines induktiven Meßfühlers erfasst
und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die Zeitverzögerung zwischen
dem Erregungsimpuls (Stromimpuls), der an dem einen Ende der Röhre angelegt
wird, und der magnetostriktiven Rückkehr stellt die Position
des Positionsmarkers (Permanentmagnet) dar.
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Herkömmliche magnetostriktive Wandler
haben den Nachteil, dass sie für
den Strom in der Röhre (entlang
des Kupferleiters) eine abgehende Leitung und für denselben Strom eine Rückleitung
durch einen Kupferleiter, der zusammen mit dem den abgehenden Stromimpuls
leitenden Kupferleiter eine geschlossene Leitung bildet, zur Verfügung stellen müssen.
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Da eine abgehende Leitung und eine
Rückleitung
erforderlich sind, ist es daher notwendig, einen Kupferleiter für die abgehende
Leitung und einen ähnlichen,
damit verbundenen Leiter für
die Rückleitung
zur Verfügung
zu stellen. Dies bringt für
den magnetostriktiven Wandler bauliche Schwierigkeiten mit sich,
und zwar auch im Hinblick auf die begrenzten Abmessungen des Wandlers.
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Darüber hinaus ist eine Dämpfung der
mechanischen Welle sehr wichtig, da in dem Fall, in welchem die
sich in Richtung auf das eine Ende der Röhre ausbreitende Welle gegenüber dem
Ende, an dem die Welle erfasst werden soll, nicht angemessen gedämpft wird,
Wellenreflexionen auftreten können,
die die mechanische Welle, die erfasst werden soll, konstruktiv
oder destruktiv stören
und so die korrekte Messung beeinträchtigen.
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Die Dämpfung der mechanischen Welle
wird allein dem Vorhandensein von Dämpfungselementen anvertraut,
wie beispielsweise Silikonkautschuk-Dämpfern, die das Dämpfen der
mechanischen Wellen entlang der magnetostrikiven Röhre ermöglichen;
manchmal allerdings ist diese Lösung nicht
ganz zufriedenstellend.
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Eine Lösung des Standes der Technik
ist in der
DE 42 44 204 offenbart,
die einen magnetostriktiven Wandler betrifft, der eine Begrenzungsröhre umfasst,
welche eine magnetostriktive Röhre
aufnimmt, in der ein leitender Draht untergebracht ist. An dem einen
Ende der magnetostriktiven Röhre
sind Wandlermittel vorgesehen, um ein Signal zu erfassen und ein
Positionsmaß zur
Verfügung
zu stellen. Diese Lösung
stellt allerdings keine Mittel zum Dämpfen von mechanischen Wellen,
die nach dem Anlegen eines Stromimpulses an den leitenden Draht
erzeugt werden, zur Verfügung.
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Eine weitere Lösung des Standes der Technik
ist in dem US-Patent
Nr. 5,804,961 offenbart, das eine magnetostriktive positionsmessende
Vorrichtung betrifft, welche einen Hohlleiter aufweist, der sich
zwischen gegenüberliegenden
verankerten Enden erstreckt. Ein piezoelektrisches Filmelement ist mit
dem Hohlleiter verbunden, um ein Drehverformungssignal abzutasten,
das an den Hohlleiter angelegt ist. Selbst diese Lösung stellt
keine Mittel zum Dämpfen
von mechanischen Wellen, die in der Vorrichtung erzeugt werden,
zur Verfügung.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung
ist es, eine magnetostriktive positionsmessende Vorrichtung mit
hoher Meßgenauigkeit
zur Verfügung
zu stellen, die mit einem Aufbau hergestellt werden kann, der im
Hinblick auf herkömmliche
Wandler vereinfacht ist.
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Im Umfang dieses Ziels besteht eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine magnetostriktive
positionsmessende Vorrichtung mit hoher Meßgenauigkeit zur Verfügung zu
stellen, bei der die mechanische Welle in optimaler Weise gedämpft ist, um
zu verhindern, dass die durch den Wandler vorgesehene Messung gestört wird.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, eine magnetostriktive positionsmessende Vorrichtung
mit hoher Meßgenauigkeit
zur Verfügung
zu stellen, bei der die äußeren Schwingungen, denen
der Wandler unterworfen werden kann, die Meßgenauigkeit gar nicht beeinflussen
oder nur sehr minimal beeinflussen.
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Eine noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine magneotstriktive positionsmessende Vorrichtung mit
hoher Meßgenauigkeit
zur Verfügung
zu stellen, die äußerst zuverlässig und
relativ leicht herzustellen ist sowie mit wettbewerbsfähigen Kosten
produziert werden kann.
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Dieses Ziel, diese Aufgaben u.a.,
die nachfolgend veranschaulicht sind, werden durch eine Vorrichtung
des Anspruchs 1 erzielt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung einer bevorzugten, aber nicht der einzigen, Ausführungsform
des Wandlers nach der Erfindung deutlich; sie sind nur mittels eines nicht
beschränkenden
Beispiels in der beigefügten Zeichnung
veranschaulicht, worin:
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1 eine
Schnittansicht des magnetostriktiven Wandlers nach der Erfindung
ist, bei dem allerdings die Permanentmagneten, die dazu geeignet sind,
die magnetostriktive Wirkung zur Verfügung zu stellen, nicht gezeigt
sind; und
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2 eine
detaillierte Schnittansicht von Abschnitten der 1 ist.
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Mit Bezug auf die obigen Figuren
umfasst der magnetostriktive Wandler nach der Erfindung, der allgemein
durch die Bezugszahl 20 gekennzeichnet ist, eine äußere metallische
Begrenzungsröhre 1, die
die Umhüllung
bildet, um den eigentlichen magnetostriktiven Wandler zu begrenzen;
die Röhre nimmt
innen eine Röhre
auf, die aus einem magnetostriktiven Material 2 hergestellt
ist, in welchem wiederum innen ein leitender Draht 3 untergebracht
ist, der vorzugsweise aus Kupfer hergestellt ist und den Stromimpuls
von dem einen Ende zu dem anderen der magnetostriktiven Röhre 2 leiten
soll.
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Eine der Besonderheiten der Erfindung
besteht darin, dass die Rückleitung
des durch den Leiter 3 fließenden Stroms durch die äußere Begrenzungsröhre 1,
die aus einem nicht magnetischen, metallischen Material hergestellt
ist, bereitgestellt wird. Zu diesem Zweck wird eine Verbindung zwischen
der aus einem magnetostriktiven Material hergestellten Röhre 2 und
der die Röhre 2 aufnehmenden
Begrenzungsröhre 1 vorgesehen.
Die Verbindung wird durch leitende Mittel, die dazu geeignet sind,
eine elektrische Kontinuität
zwischen dem Kupferleiter 3 und der äußeren Röhre 1 vorzusehen,
zur Verfügung
gestellt. Die leitenden Mittel können
zum Beispiel durch einen Verschluß- und Kontaktstopfen 4 vorgesehen
werden, der an dem Ende der Begrenzungsröhre 1, das gegenüber dem
Ende liegt, an welchem Strom in den leitenden Draht 3 eingespeist wird,
angeordnet ist.
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An dem Ende der Begrenzungsröhre 1,
an dem der Verschlußstopfen 4 vorgesehen
ist, sind auch Dämpfungsmittel 5 vorgesehen,
die zum Beispiel aus einem Silikonkautschuk hergestellt und um die
magnetostriktive Röhre
2 herum angeordnet sind, um so die mechanischen Wellen zu dämpfen, die
entlang der magnetostriktiven Röhre 2 in
Richtung auf das Ende weitergeleitet werden, das dem Ende, an dem
die mechanischen Wellen tatsächlich
erfasst und in elektrische Signale umgewandelt werden sollen, gegenüberliegt.
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Um diese Wellen weiter zu dämpfen, ist
die magnetostriktive Röhre 2 mit
mindestens einer Kerbe 6 ausgestattet, die zwischen den
Dämpfungsmitteln 5 und
dem Verschlußstopfen 4 ausgebildet
ist, so dass die magnetostriktive Röhre 2 axial starr
wird und drehverformbar ist.
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Zu diesem Zweck ist es möglich, ein
Paar Kerben 6 vorzusehen, die im Wesentlichen so angeordnet
sind, dass sie einander gegenüberliegen
und gegeneinander versetzt sind.
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Es wird auch eine Zentrierröhre 7 aus
Silikon zur Verfügung
gestellt, die zwischen der Begrenzungsröhre 1 und der magnetostriktiven
Röhre 2 angeordnet
ist; Die Zentrierröhre
aus Silikon ist vorteilhafterweise teilweise um die magnetostriktive
Röhre 2
herum mittels Klemmringen 8 befestigt, die in Abständen entlang
des Umfangs der magnetostriktiven Röhre 2 angeordnet sind.
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An dem Ende der Begrenzungsröhre 1,
das gegenüber
dem Ende liegt, an dem der Verschlußstopfen 4 vorgesehen
ist, gibt es Signalwandlermittel, die dazu geeignet sind, die mechanischen
Wellen zu erfassen, welche sich entlang der magnetostriktiven Röhre 2 nach
dem Einleiten eines Stromimpulses entlang des Kupferleiters 3 ausbreiten.
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Die Wandlermittel umfassen vorteilhafterweise
eine Spule 9, die um die magnetostriktive Röhre 2 herum
angeordnet ist und von einem Auflageelement 10 getragen
wird. Vorteilhafterweise ist die Spule 9 in einem Begrenzungselement 11 enthalten,
das an dem Kopfende der Begrenzungsröhre 1 angeordnet ist
und mit einer gedruckten Schaltung 12 verbunden ist; ein
Verbinder 13 ist mit der gedruckten Schaltung verbunden,
um eine Verbindung zu Mitteln zum Empfangen des zurückkehrenden
Signals, das durch die Wandlermittel 9 gebildet wird, zur
Verfügung
zu stellen.
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Der leitende Draht 3 aus
Kupfer überragt
das Ende der Begrenzungsröhre 1,
das mit der gedruckten Schaltung 12 verbunden ist und ermöglicht es, dass
an seinem Ende 14 ein Stromimpuls an den leitenden Draht 3 angelegt
werden kann, wobei der Impuls sich folglich entlang des Leiters
ausbreitet, bis er das gegenüberliegende
Ende der magnetostriktiven Röhre 2 erreicht.
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In der Praxis ermöglicht es das Anlegen des Stromimpulses
an das Ende 14 des Leiters 3, sofort ein kreisförmiges magnetisches
Feld entlang der magnetostriktiven Röhre 2 zu erzeugen.
Die Verwendung eines Permanentmagneten (oder einer Mehrzahl von
Magneten), die so angeordnet sind, dass ihre Achse senkrecht zu
der Achse der magnetostriktiven Röhre 2 liegt, ermöglicht es,
Feldlinien zu erhalten, die senkrecht zu dem in der magnetostriktiven Röhre 2 erzeugten
Feld verlaufen. Genau an dem Punkt, der dem Mittelpunkt des Magneten
entspricht, von dem aus sich die Kraftlinien radial erstrecken und auseinander
laufen, tritt eine Wechselwirkung zwischen den magnetischen Feldern
auf, die durch den Magneten und durch den Strom, der durch die magnetostriktive
Röhre 2 fließt, erzeugt
wird; diese Wechselwirkung verursacht durch einen magnetostriktiven Effekt
eine elastische Torsionsverformung, d.h. es wird eine mechanische
Torsionswelle erzeugt, die sich mit entgegengesetzten Vorzeichen
in beiden Richtungen der magnetostriktiven Röhre ausbreitet.
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An dem einen Ende und insbesondere
an dem Ende, an dem die Dämpfungsmittel 5 und
die Kerben 6 vorgesehen sind, wird die mechanische Welle
gedämpft,
während
an dem gegenüberliegenden
Ende die mechanische Welle mittels der Wandlermittel 9 erfasst
wird, die sie in ein geeignetes elektrisches Signal umwandeln. Die
Verzögerung
zwischen dem Erregungsimpuls, der in den Leiter 3 eingespeist
wird, und der magnetostriktiven Rückkehr, gibt unter Berücksichtigung
der (bekannten) Ausbreitungsgeschwindigkeit der mechanischen Welle
einen Hinweis auf die Position der Permanentmagneten entlang des
Umfangs der Begrenzungsröhre 1.
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Der Wandler nach der Erfindung macht
es daher möglich,
die Rückleitung
des Erregungsstromimpulses entlang der Begrenzungsröhre 1 anstatt entlang
eines Rückleitungsdrahts – ähnlich dem
Leiter, in dem sich der Impuls ausbreitet – durch die Tatsache vorzusehen,
dass die magnetostriktive Röhre mit
dem Leiter mittels des Verschlußstopfens 4 verbunden
ist.
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Darüber hinaus wird die Dämpfung der
mechanischen Welle nicht nur durch das Vorhandensein von Dämpfungsmitteln 5 sondern
auch durch das Vorhandensein der Kerbe oder der Kerben 6 erleichtert,
die es ermöglichen,
dass die magnetostriktive Röhre
drehbeweglich und axial starr gefertigt werden kann.
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Die im Wesentlichen vollständige Dämpfung der
mechanischen Wellen, die sich in Richtung auf das distale Ende der
magnetostriktiven Röhre 2 ausbreiten,
d.h. in Richtung auf das Ende, das dem Ende gegenüberliegt,
an dem der Stromimpuls eingeführt wird,
verhindert die Entstehung von mechanische Rückwellen, die die mechanische
Rückwelle,
die durch die Wandlermittel 9 erfasst wird, stören und verhindert
so jede Beeinflussung der Messung des magnetostriktiven Wandlers.
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Die Verzögerung zwischen dem Stromimpuls,
der in den Leiter 3 eingespeist wird, und der mechanischen
Welle, die durch die Wandlermittel 9 erfasst wird, stellt
tatsächlich
die Position dar, die durch den Permanentmagneten entlang des Umfangs
der Begrenzungsröhre 1 angenommen
werden. Wenn die Verzögerung
auf irgendeine Weise beeinflusst wird, entweder aufgrund von äußeren Störungen oder
aufgrund der Störung
der mechanischen Wellen, wird die erfasste Messung ungenau.
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In der Praxis ist beobachtet worden,
dass der magnetostriktive Wandler nach der Erfindung die beabsichtigten
Ziele und Aufgaben voll erreicht, da er es ermöglicht, den baulichen Aufbau
des Wandlers zu vereinfachen, indem er eine Rückleitung für den Stromimpuls vermeidet
und dafür
die äußere Begrenzungsröhre verwendet
und weiter zusätzliche
Mittel zum Dämpfen
der mechanischen Welle, die aufgrund des Anlegens eines Stromimpulses
erzeugt wird, zur Verfügung
stellt.
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Der so konzipierte Wandler ist zahlreichen Modifikationen
und Änderungen
zugänglich,
von denen alle im Umfang des erfinderischen Konzepts liegen; alle
Details können
auch durch andere technische äquivalente
Elemente ersetzt werden.
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In der Praxis können je nach den Erfordernissen
und dem Stand der Technik alle möglichen
Materialien und alle möglichen
Abmessungen verwendet werden, solange sie mit der spezifischen Verwendung
vereinbar sind.