NO833946L - Opptaker for omforming av mekaniske stoerrelser til elektriske stoerrelser - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en opptager eller transduktor for omforming av mekaniske størrelser til elektriske stør-relser, nærmere bestemt en opptager for observasjon av posisjonen til et bevegelig element ved en traktor eller lignende, idet opptageren omformer posisjonen til det be-vegelige elementet i et elektrisk signal og idet opptageren er basert på anvendelsen av Hall-effekten.

Omformingen av forskjellige mekaniske størrelser til elektriske verdier er problematisk på grunn av at til nå har ikke slike opptagere vært i bruk som ikke inneholder komponenter som er følsomme for ødeleggelse, som ikke fremviser tempera-turkrypinger og heller ikke må justeres.

Hovedformålet med oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe en opptager som tilfredsstiller de nevnte formål. Det er et ytterligger formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en opptager av enkel konstruksjon og pålitelig i dens drift for posisjonsavføling. Et behov for å avføle forskjellige mas-kindeler oppstår f.eks. i forbindelse med traktorer og andre trekk- og arbeidsmaskiner. Ved disse praktiske anvendelsene er det naturligvis et behov for pålitelig posisjonsangivelse med en opptager som ikke har noen komponenter som er føl-somme mot ødeleggelser og som tolererer urenheter og som ikke er følsomme mot variasjoner i omgivelsestemperaturen.

Posisjonsavfølingsanvendelser ved traktorer innbefatter posisjonsobservering av kraftmålende, fleksible stenger, vinkelmålende kammer, forskjellige armer og ledd eller andre stenger eller av forskjellige komponenter i styreutvekslingen for styring eller sikkerhet.

Behovet for opptagere som utgjør oppfinnelsens formål er spesielt viktig ved traktorstyresystemer, hvor det f.eks. er behov for kontinuerlig overvåkning av løfteinnretninger eller kraftmålende fleksible stenger. Siden det angjeldende styresystemet er hovedsakelig elektrisk er det også et behov å tilveiebringe fra opptageren et signal av høy spennings- eller strømnivå og som er avhengig av posisjonen til elementet som skal bli observert.

Tidligere er det kjent såkalte nærhetsbrytere, ved hjelp av hvilke tilveiebringes PÅ/AV-informasjon angående en tett posisjonert gjenstand. Videre er det også kjent såkalte lineær utgangs-Hall-effekttransduktorer, som f.eks. PK 8764 3 fra "Micro Switch". Disse opptagerne og andre kjente har imidlertid ikke vært i stand til å løse ovenfor nevnte problemer, spesielt ikke når slike opptagere skal anvendes ved ugunstige operasjonsforhold, som er tilfelle f.eks. ved en traktor.

I tillegg til formålet med foreliggende oppfinnelse for observering av bevegelse eller posisjon uten interferens med selve metallegemet, hvis posisjon skal observeres, og formålet med oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe en opptager som ikke krever en permanentmagnet som skal bli festet på elementet som skal bli observert.

Utgangspunktet for foreliggende oppfinnelse var å anvende såkalte Hall-elementer. Driften av disse elementene er basert på det faktum at ved en elektrisk leder i et magnetisk felt blir frembrakt et elektrisk felt perpendikulært på strømmen og proporsjonalt med strømmen og det magnetiske feltet. Banen for ladede partikler som fører strømmen, elektroner f.eks., blir kurvet, som innebærer generering av et elektrisk felt ved rette vinkler i forhold til den opp-rinnelige strømretningen. Dersom lederen er en tynn strimmel blir det mulig å måle direkte potensialet mellom dens sider den såkalte Hall-spenningen som er inverst proporsjonal med tykkelsen på strimmelen. Siden styrken på Hall-fenomenet er avhengig av egenskapene til ladningsbærerne i de respek-tive materialer, har den blitt anvendt (spesielt ved halv-ledertilfeller) for å undersøke kvaliteten, antallet og den mobile evnen til ladede bærere. Siden styrken på Hall-effekten er porporsjonal med flukstettheten til det magnetiske feltet har den også blitt anvendt ved måling av

magnetiske feltstyrker, som forøvrig er velkjent.

For å tilveiebringe ovenfor nevnte formål og andre som

vil fremgå av beskrivelsen senere, er oppfinnelsenkarakterisert vedat

et Hall-element har blitt anbrakt i forbindelse med en permanentmagnet,

at opptageren innbefatter en elektronisk enhet fast til-passet i den beskyttende konstruksjonen til opptageren tilliggende Hall-elementet, og at den elektroniske enheten er anvendt for å forsterke spenningen tilført av Hall-elementet til en opptagerutgangsspenning av tilstrekkelig nivå og som er hovedsakelig lineært avhengig av avstanden mellom gjenstanden av ferromagnetisk materiale som er blitt observert og Hall-elementet for opptageren.

Det skal bemerkes at oppfinnelsen således er basert på anvendelse av et Hall-element som er fordelaktig med hensyn til pris, temperatur, karakteristikk og gjentagbarhet, anvendt på en nærmere beskrevet måte ifølge oppfinnelsen. Ved oppfinnelsen er det ikke nødvendig å feste noen elektro-magnet eller permanent magnet til den matalliske delen som skal bli målt ved hjelp av oppfinnelsen, nemlig en gjenstand av materialet med god magnetisk konduktivitet.

Det ikke-behandlbare signalet utledet fra Hall-elementet, tilført som nevnt ifølge oppfinnelsen, blir forsterket i forbindelse med selve opptageren fortrinnsvis ved hjelp av en differensialforsterkerinnretning.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere ved hjelp av et utførelseseksempel av oppfinnelsen og med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser delvis i snitt en opptager ifølge oppfinnelsen . Fig. 2 viser det elektriske kretsdiagrammet av opptageren

ifølge oppfinnelsen.

Fig. 3 viser skjematisk anbringelsen av opptageren ifølge oppfinnelsen i forbindelse med gjenstanden som skal bli målt. Fig. 4 viser utgangsspenningen tilveiebrakt ved hjelp av en opptager ifølge oppfinnelsen opptegnet i forhold til avstanden for legemet som skal bli observert. Fig. 5 viser separat Hall-elementet anvendt ifølge

oppfinnelsen.

Som vist på fig. 1 består opptageren ifølge oppfinnelsen av en permanentmagnet 11 som er et sylindrisk legeme. Permanentmagneten 11 er som en stavmagnet, slik at dens S- og N-poler kan være anordnet ved de plane ender til sylinderen. I forbindelse med en permanentmagnet av denne typen er det dannet et lukket magnetisk felt, kjent i og for seg, mellom polene S og N. Permanentmagneten 11 har blitt ført inn i en beskyttende sokkel 13 til et ikke-magnetisk materiale, f.eks. aluminium eller hard plast, med det for øyet å tilveiebringe tilstrekkelig mekanisk styrke. I sokkelen 13 har det blitt anbrakt, f.eks. innleiret i silikonsammensetning 16, et elektronisk kretskort 20, fra hvilket utgår en kabel 17. Gjennom kabelen 17 blir en egnet driftsspenning,(f.eks. 5 volt) tilført opptageren. Utgangsspenningen V til opptageren blir dessuten tilveiebrakt gjennom kabelen 17.

På den plane ytre endeflaten 11' til permanentmagneten 11, oppå en tynn isolasjonsskive 15, har blitt anbrakt et Hall-element 10, fra hvilket utgår forbindelsesledninger a, b, c og d. Som det fremgår av fig. 5 er Hall-elementet 10 et knappelignende, flatt element med fire forbindelsesledninger a-d. Disse ledningene a-d er ført elektrisk isolert fra permanentmagneten 11 i sporet 12 i permanentmagneten til

kretskortet 20.

I det foregående har opptageren ifølge oppfinnelsen blitt beskrevet med hensyn til dens hovedtrekk. I det følgende skal det bli beskrevet, med henvisning til fig. 2, en fordelaktig elektrisk utførelsesform av oppfinnelsen. Som kjent er Hall-elementet 10 strømforbrukende og det blir strømfor-synt med strømmen I gjennom ledningen e fra +5 V-polen. Strømmen I o er i størrelsesorden av 5 mA. Den andre polen c til strømkilden er forbundet med jord. Fra polene b og d til Hall-elementet blir spenningen Vj_nntilveiebrakt, som er i størrelsesorden av kun 10 mV. Det er således klart at spenningen V^nnmå bli betydelig forsterket for å kunne anvendes for formålene med hensyn til oppfinnelsen. Fig. 2 viser en fordelaktig forsterkningskrets ved hvilken er anvendt to operasjonsforsterkere 21 og 22 forbundet i kaskade, idet den første av de er forbundet forskjellig. Den andre opera-sjonsforsterkeren 22 er ikke inverterende. Forsterkningen Vut/V^nntil kretsen er i størrelsesorden av 30 til 45.

Ved polene f og g blir utgangsspenningen V til opptageren tilveiebrakt, idet denne spenningen er 2-5 volt, som det fremgår av fig. 4. Siden inngangsspenningen v^nnfra Hall-elementet 10 har forholdsvis lavt nivå lærer oppfinnelsen at det elektroniske kretskortet skal anbringes umiddelbart i forbindelse med opptageren innenfor beskyttelsessokkelen 13. Det er herved mulig å unngå i en betydelig grad ytre interferenser.

Som vist på fig. 4 er utgangsspenningen V til opptageren ifølge oppfinnelsen f.eks. lineært avhengig av avstanden d til gjenstanden 14, som er blitt observert på den måten vist ved kurven G. Innenfor området d opå avstandsskalaen d er den karakteristiske kurven G tilstrekkelig lineær med hensyn til behovene som forekommer i praksis. Fra opptageren ifølge oppfinnelsen blir således en utgangsspenning V tilveiebrakt som er i størrelsesorden 5-2 V. Dette er et spenningsnivå som kan bli ført uten interferens med kabelen 17 over en betydelig avstand lang nok for praktiske formål, f.eks. for styreenheten til en traktor.

På fig. 3 er vist anordningen av opptageren og legemet 14, som skal bli observert, i forhold til hverandre. Legemet 14 som skal bli observert er f.eks. et sylindrisk legeme som roterer om aksen A-A, med andre ord en eksentrisk kamenhet idet dens avstand d fra endeflaten 11' til opptageren varie-rer som funksjon av rotasjonsvinkelen til legemet 14 ved dens rotasjon om aksen A-A. Legemet 14 består av materialet som har god magnetisk konduktivitet, f.eks. et ferromagnetisk materiale. Legemet 14 konsentrerer derfor det magnetiske feltet i forbindelse med Hall-elementet 10, jo sterkere jo mindre er avstanden d. En karakteristisk kurve lik kurven G på fig. 4 blir følgelig tilveiebrakt.

Opptageren ifølge foreliggende oppfinnelse er ment å bli anvendt fremfor alt i traktorer, selv om andre anvendelser også er mulig innenfor rammen av oppfinnelsen. Ved traktorer er opptageren ifølge oppfinnelsen spesielt egnet for an-givelsen av posisjonen til en fleksibel stang, posisjonen til en eksentrisk kam, f.eks. angivelse av en aksels rota-sjonsvinkel, for avføling av posisjonen til en styrestikke, angivelse av den nøytrale posisjonen til styringen, observering av tilstanden til en injeksjonspumpe og/eller anvendelse i forbindelse med maskinoverbelastningsbeskyttelse. Opptageren ifølge oppfinnelsen kan likeledes bli anvendt

i forbindelse med en PÅ/AV-komponent.

Claims (8)

1. Opptager for overføring av mekaniske størrelser til elektriske størrelser, nærmere bestemt en opptager for observering av posisjonen til et bevegelig element ved en traktor eller lignende, idet opptageren omformer posisjonen til elementet (14) som observeres til et elektrisk signal (V"ut ),og idet opptageren er basert på anvendelse av et Hall-element, karakterisertvedat Hall-elementet (10) har blitt anbrakt i forbindelse med en permanentmagnet (11), at opptageren innbefatter en elektronisk enhet (20) som har blitt fast sampasset med den beskyttende konstruksjonen (13) for opptagerens tilliggende Hall-elementet (10), og at ved hjelp av den elektroniske enheten (20) blir spenningen (VjLnn) levert av Hall-elementet (10) forsterket for å bli opptagerens utgangsspenning (vut ) me<3 høyt nok nivå og som er hovedsakelig lineær avhengig av avstanden mellom legemet (14) av ferromagnetisk materiale, som observeres, og Hall-elementet (10) til opptageren.

2. Opptager ifølge krav 1, karakterisert ved at det beskyttende huset til opptageren er et rør-formet hus (13) av ikke-magnetisk materiale, slik som aluminium eller hard plast, ved viss ene ende permanentmagneten (11) har blitt anbrakt, at ved permanentmagnetens (11) andre endeflate (li <1> ) har blitt anbrakt Hall-elementet (10), dets forbindelsesledninger (a,b,c,d) som er forbundet med det elektriske kretskortet (20) og at fra det elektriske kretskortet (20) går det ut opptagerledningen (17), gjennom hvilken opptagerens utgangsspenning (vut ) blir tatt ut og at operasjonsspenningen til opptageren blir tilført.

3 . Opptager ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at permanentmagneten er et hovedsakelig sylindrisk permanentmagnetlegeme, idet de hovedsakelig plane endeplatene (11') til denne permanentmagneten er S- og N-poler for permanentmagneten, at permanentmagneten (11) har blitt anbrakt i ene enden av et respektiv sylindrisk be-skyttelsesrør (13), at Hall-elementet (10) har blitt festet på isolerende måte på den plane ytre endeflaten (11') for permanentmagneten (11), at legemet (14), hvis posisjon skal bli observert, har blitt anbrakt tilliggende flaten (11') ved en egnet liten avstand (d), og at retningen i hvilken bevegelsen til det ferromagnetiske legemet (14), hvis posisjon skal bli observert, er hovedsakelig parallell med den sylindriske aksen for beskyttelsesrøret (13) og permanentmagneten (11) .

4. Opptager ifølge et hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at den elektroniske enheten (20) anordnet i forbindelse med opptageren innbefatter en forsterkningskrets med i det minste to forsterkertrinn (21, 22) som følger etter hverandre.

5. Opptager ifølge krav 4, karakterisert ved at det første forsterkertrinnet (21), som fortrinnsvis er en operasjonsforsterker, har blitt forbundet med en differensialforsterker.

6. Opptager ifølge et hvilket som helst av kravene 1-5, karakterisert ved at spenningsforsterkningen ( <V> ut </V> ^nn) til forsterkerkretsen (21, 22) er i størrelses-orden av 30 til 45.

7. Opptager ifølge et hvilket som helst av kravene 1-6, karakterisert ved at avstanden (d) fra Hall-elementet (10) for legemet (14) med ferromagnetisk materiale, hvis avstand skal bli observert, er i størrelses-orden av d ^ 0,5 til 6 mm.

8. Opptager ifølge et hvilket som helst av kravene 1-7, karakterisert ved at utgangsspenningen (vut ) for opptageren er i størrelsesorden av V"ut^ 1 til 10 V.