NO845046L

NO845046L - Beroeringsloes, elektronisk vinkelgiver.

Info

Publication number: NO845046L
Application number: NO845046A
Authority: NO
Inventors: Werner Wallrafen
Original assignee: Vdo Schindling
Priority date: 1983-12-17
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1985-06-18
Also published as: DK538584D0; DK538584A; US4646011A; DE3345791A1; EP0145882A3; EP0145882A2

Description

Oppfinnelsen angår en berøringsløs, elektronisk vinkelgiver ifølge innledningen til patentkrav 1.

Sådanne vinkelgivere anordnes for fjernsignalering av stillingen av en mekanisk innstillingsdel, for å overføre, bearbeide eller indikere vinkelstillingen ved hjelp av elektriske signaler og/eller benytte vinkelstillingen ved hjelp av elektriske signaler for styringer og reguleringer. Sådanne kjente vinkelgivere er fortrinnsvis berøringsløst utformet, dvs. et i overensstemmelse med innstillingsdelen dreid element står ikke umiddelbart i forbindelse med følerelementene, for å unngå prinsipielle ulemper, såsom slitasje på grunn av friksjon og unøyaktig innstilling av det dreibare element.

Hertil hører det til teknikkens stand, særlig ved et vindmåleanlegg, å sammenkople en vindhane eller værhane mekanisk med en ferromagnetisk ringmagnet som er dreibar i påvirkningsområdet for to i rett vinkel på hverandre anordnede Hall-elementer. Som følge av den forholdsvis lave følsomhet til Hall-elementetene, referert til det nyttbare, variable magnetfelt, må den dreibare magnet derved være dreibar i umiddelbar nærhet av Hall-elementene.

Det er også forstyrrende at Hall-elementenes ut-gangssignaler driver forholdsvis sterkt, eksempelvis under temperaturpåvirkning. Derav fremkommer behovet for en forholdsvis høy, nyttbar flukskonsentrasjon som skal bevirkes ved hjelp av dreiemagneten i området for Hall-elementene. Bortsett fra dette er en vinkelgiver med Hall-elementer av forskjellige grunner ganske kostbar å fremstille: Den på grunn av den høye flukskonsentrasjon nødvendige, permanent-magnetiske ringmagnet er forholdsvis dyr. Hertil kommer fremstillingsomkostninger eksempelvis på grunn av en nøy-aktig innretting av de to Hall-elementer i rett vinkel på hverandre, hvilken innretting må opprettholdes over lang tid.

Til teknikkens stand hører videre såkalte synkroer av hvilke det i hvert tilfelle må anordnes en synkro på giversiden og en synkro på mottakersiden. Synkroene oppviser i en stator tre 120° innbyrdes forskjøvne spoler som magneti-seres ved hjelp av vekselfelter i overensstemmelse med stillingen av en rotor. Synkroene på giversiden og på mottakersiden er forbundet med hverandre ved hjelp av tre-trådige ledninger (elektrisk aksel) og virker på den måte at en rotor på mottakersiden løper etter rotoren på giversiden. Med disse synkroer unngås riktignok noen ulemper ved de foran omtalte Hall-elementer, men imidlertid er fremstillingsomkostningene heller noe større, særlig på grunn av den synkro som må anordnes på mottakersiden og som ikke uten videre kan erstattes ved hjelp av en utnyttelses-elektronikk. Sådanne vinkelgivere er derfor ofte bare for-nuftige når det på mottakersiden skal frembringes store dreiemomenter.

Formålet med oppfinnelsen er derfor å tilveie-bringe en berøringsløs, elektronisk vinkelgiver som er gunstig å montere ved seriefremstilling, som utmerker seg ved stor pålitelighet og ufølsomhet overfor temperatur-

og fuktighetspåvirkning,og som er ukritisk med hensyn til anordningen av den dreibare magnet i forhold til føler-elementene.

Ovennevnte formål oppnås ved hjelp av den oppfinnelse som er angitt i den karakteriserende del av krav 1.

Oppfinnelsen er basert på det prinsipp at stillingen av den dreibare magnet fastslåes ved utnyttelse av de i to lodrett på hverandre anordnede følerspoler induserte signalspenninger, idet følerspolene, ringkjernen og den til følerspolene tilkoplede, elektroniske anordning er utformet for utnyttelse av signalspenningene i overensstemmelse med det i og for seg kjente fluksportprinsipp (Flux-Gate Prinzip). Sådanne fluksport-anordninger har man hittil imidlertid bare benyttet for deteksjon av jordmagnet-feltretningen, for hvilket formål fluksport-anordningen var dimensjonert tilsvarende følsom (Hisatsugu Itoh: "Magnetic Field Sensor and Its Application to Automobiles". Denne fluksport kan innenfor følgende ramme benyttes for utførelse av den foreliggende oppfinnelse: På en ringkjerne av ferritt er det anordnet en magnetiseringsvikling og to følerspoler som er rettvinklet forskjøvet i forhold til hverandre. Spesielt er følerspolene viklet på en slik måte på ringkjernen at de harmoniske av ulike orden av de i følerspolene induserte signalspenninger undertrykkes. For det meste utnyttes den andre harmoniske av signalspenningen, idet denne etter utfiltrering og for-sterkning og etter faseriktig deteksjon samt ytterligere for-sterkning av den således oppnådde likespenning fremstiller et likespenningssignal som er proposjonalt med cosinus

til innfallsvinkelen til den magnetiske hovedfeltretning i forhold til en i et ringkjerneplan beliggende akse. Den på samme måte bearbeidede spenning som induseres i den andre følerspole i rett vinkel på den første følerspole, inne-holder en andre harmoniske som i vidtgående grad er proporsjonal med sinus til den nevnte innfallsvinkel. Den faseriktige deteksjon skjer altså i begge tilfeller med den dobbelte magnetiseringsfrekvens. For linearisering av anordningen kan det videre være anordnet en tilbakeføring av den likerettede, av den andre harmoniske avledede spenning til følerspolen, slik at de.t kompenseres for den fluks som frembringes i ringkjernen på grunn av det ytre magnetfelt. Denne ytterligere utnyttelsen av de to av de andre harmoniske avledede spenninger svarende til cosinus og sinus til magnetfelt-innfallsvinkelen, kan skje med et kvotientmåleverk for angivelse av en tilsvarende størrelse, eller også med en elektronisk sammenlikner og logikk-koplings-kretser for slektiv aktivering av segmenter i et LED-display eller et væskekrystall-display.

Innenfor rammen av den foreliggende oppfinnelse er dette fluksportprinsipp imidlertid modifisert på en slik måte at det ikke er jordmagnetfeltet som utnyttes, men derimot vinkelstilligen av en magnet som er dreibar i overensstemmelse med en mekanisk innstillingsdel. For dette formål er det truffet spesielle forholdsregler for å utsjalte innvirkningen av jordmagnetfeltet på ringmagneten med føler-spolene. Dette skjer enten ved hjelp av en særlig egnet av-skjerming som skal beskrives nærmere nedenfor, eller ved konsentrasjon av det av dreiemagneten frembragte magnetfelt i forhold til det her forstyrrende jordmagnetfelt. For sistnevnte formål er imidlertid en vesentlig større avstand mellom dreiemagneten og ringkjernen med følerelementene tillatelig enn i tilfellet med den kjente anvendelse av Hall-elementer.

Fluksportprinsippet ved den foreliggende anvendelse for signalering av vinkelstillingen av en mekanisk innstillingsdel har blant annet den fordel at utformingen av den dreibare magnet er ukritisk. Spesielt trenger ikke den dreibare magnet å være utformet som forholdsvis kostbar permanentmagnet i ringform. Anordningen av følerspolene i rett vinkel på hverandre på ringkjernen av et ferromagnetisk materiale med den for spenningsinduksjonen ifølge fluksportprinsippet nødvendige karakteristikk, må derimot sammenliknes med anordningen av Hall-elementene i forhold til hverandre: Da følerspolene på sin felles ringkjerne fastlegges ved på-viklingen, kan denne kjerne i de tilsluttende fremstillings-avsnitt av vinkelgiveren håndteres uten problemer, slik at fremstillingsomkostningene kan reduseres ytterligere. Den ifølge oppfinnelsen tilveiebrakte vinkelgiver ifølge fluksportprinsippet utmerker seg totalt ved høy pålitelighet, forholdsvis høy nøyaktighet på grunn av liten innvirkning av omgivelsestemperatur og fuktighet, og av en rekke grunner ved en enkel og prisgunstig seriefremstilling. Ytterligere fordeler fremkommer i forbindelse med de i det følgende an-gitte utførelsesformer av vinkelgiveren: Ved at ringkjernen med følerspolene såvel som den dreibare magnet er anbrakt i et i forhold til jordmagnetfeltet i hovedsaken avskjermet rom, avhenger de av føler-spolene frembrakte signalspenninger praktisk talt bare av stillingen av den dreibare magnet. Forfalskende påvirkninger av jordmagnetfeltet, som spesielt kan forstyrre på fartøyer med sådanne vinkelgivere, er unngått uten kostbare kompensa-sjons foranstaltninger.

Det er særlig fordelaktig at den dreibare magnet på den ene side og ringkjernen med sine spoler samt i det minste en del av den elektronikk som står i forbindelse med spolene, er anbrakt i forskjellige rom. Det innerrom i hvilket ringkjernen med sine spoler og elektronikken er anordnet, kan derved være utformet fullstendig lukket, uten å anordne kostbare gjennomføringer for en aksel som beveger den dreibare magnet. De i det indre rom anbrakte elementer er således i vidtgående grad beskyttet mot omgivelsespåvirkninger, såsom temperatur, fuktighet og gasser.

Som nevnt er det for styring av ringkjernen ikke ubetinget nødvendig med en som permanentmagnet utformet ringkjerne, men den dreibare magnet kan tvert imot oppvise forskjsllige former. Den dreibare magnet kan derfor særlig fra et fremstillingssynspunkt være gunstig utformet, spesielt som enkel stavmagnet ifølge krav 4.

På grunn av den forholdsvis høye, nyttbare følsom-het av ringkjernen med følerspolene kan den dreibare magnet i en særlig egnet utførelse bestå i hovedsaken av en kunststoffskive i hvilken det er innstøpt permanentmagnetiserte legemer. De permanentmagnetiserte legemer er således på-litelig avstengt mot flere omgivelsespåvirkninger, uten at det for dette formål er nødvendig å anbringe den dreibare magnet i en tett lukket husdel.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser en med en værhane forbundet vinkelgiver i et snitt gjennom det hus som rommer vinkelgiveren, fig. 2a og 2b viser henholdsvis et grunnriss av og et snitt gjennom den dreibare magnet, fig. 3 viser en skjematisk fremstilling av ringkjernen med de på denne viklede spoler, og fig. 4 viser et prinsipp-koplingsskjema av elektronikken som er anordnet for magnetisering av ringkjernen og for bearbeidelse av de i følerspolene induserte signalspenninger.

På fig. 1 betegner henvisningstallet 1 et hus

som er oppdelt i to innerrom 2 og 3. Hele huset består fortrinnsvis av magnetisk avskjermende materiale. I det minste er det øvre innerrom 2 og nedre innerrom 3 over en plate 4 avskjermet.

I det øvre innerrom 2 er en magnet 5 dreibar.

Den dreibare magnet står via en aksel 6, som er ført gjennom husets deksel, i forbindelse med en vindhane eller værhane 7.

En vegg av magnetisk permeabelt materiale ad-skiller det øvre innerrom 2 på tett måte fra det nedre innerrom 3. I sistnevnte innerrom er en ringkjerne i en fluksportanordnig slik anordnet at ringkjerneplanet og det plan i hvilket magneten 5 dreier seg, er parallelle med hverandre.

Utformingen av den dreibare magnet fremgår av

fig. 2a og 2b: Magneten 5 består i hovedsaken av en kunststoffskive i hvilken det symmetrisk i forhold til skivens sentrum er innstøpt to permanentmagnetiserte legemer 13 og 14, og nærmere bestemt slik at de permanentmagnetiserte legemer ikke er utsatt for den omgivende atmosfære. Magnetiseringen av legemene 13, 14 fremgår av det antydede feltlinjeforløp.

Den skjematiske oppbygning av fluksport-ringkjernen er antydet på fig. 3. Ringkjernen 9 er omviklet med en magnetiseringsspole 10. Følerspoler 11 og 12 er viklet i rett vinkel på hverandre over begge innbyrdes motstående ringkjerneavsnitt, slik at det i disse spoler induseres signaler som svarer til cosinus og sinus til innfallsvinkelen for den magnetiske hovedfeltretning. Denne vinkel er betegnet med 0.

Elektronikken for utnyttelse av de i føler-spolene 11, 12 induserte signaler og for frembringelse av den i magnetiseringsspolen 10 innmatede strøm er anordnet på platen 4 i det nedre innerrom 3. Et prinsippkoplings-skjema av denne elektronikk er vist på fig. 4.

På fig. 4 er fluksportanordningens ringkjerne

9 lineært symbolisert. Magnetiseringsspolen 10 mates med en strøm med frekvensen f/2. For dette formål frembringer en taktgenerator 15 et firkantsignal med frekvensen f som opp-deles i en frekvensdeler 16. Ut fra signalet med frekvensen f/2 dannes ved hjelp av forsterkere 17, 18 den firkant-formede magnetiseringsstrøm som flyter gjennom magnetiseringsspolen 10.

For hver av følerspolene 11, 12 er det anordnet en likeartet elektronikk for utnyttelse av det i følerspolen induserte signal: Således er følerspolen 11 tilkoplet til et båndpassfilter 17a som filtrerer ut den andre harmoniske av den i følerspolen induserte spenning. Den andre harmoniske detekteres med en fasestyrt bryter 18a hvis styresignal med frekvensen f tas fra taktgeneratoren 15. Etter detekteringen av den andre harmoniske skjer en integrasjon i en integrator 19 som således til en klemme 20 avgir et likespenningssignal som er proporsjonalt med sinus til innfallsvinkelen 9, dvs. stillingen av den dreibare magnet 5.

På analog måte blir det til klemmen 21 til-ført et likespenningssignal som er proporsjonalt med cosinus til innfallsvinkelen 0. For dette formål tjener et båndpassfilter 22, en fasestyrt detektor 23 og en integrator 24.

Fra hver av klemmene 20, 21 fører en mot-koplingsgren 23a, 24a tilbake til den tilhørende følerspole 11 og hhv. 12. Motkoplingsgrenen tjener til å redusere uønskede ikke-lineariteter i denne fluksportanordning. Fluksportanordningens følsomhet blir derved samtidig stabilisert.

Utnyttelsen av signalspenningene på klemmene 20 og 21 kan skje på konvensjonell måte og kompatibelt med en vinkelgiver med Hall-elementer, idet disse spennings-signaler eksempelvis tilføres til et kvotientmåleverk som inntar en stilling som er proporsjonal med stillingen av vær-hanen 7. Denne stilling er praktisk talt uavhengig av jord-magnetfeltets retning og styrke.

Claims

1. Berøringsløs, elektronisk vinkelgiver for en mekanisk innstillingsdel, særlig en værhane, omfattende en magnet som er dreibar proporsjonalt med den vinkel som skal måles, og to i rett vinkel på hverandre anordnede føler-elementer som kan påvirkes av et.av den dreibare magnet frem-brakt magnetfelt for frembringelse av et respektivt, elektrisk signal, av hvilke hvert signal er et mål for den ene av to i rett vinkel på hverandre orienterte feltkomponenter, karakterisert ved at det som hvert av de to følerelementer er anordnet minst én følerspole (11, 12) på en for alle fø lerspoler felles ringkjerne (9) i en ifølge fluksportprinsippet utformet magnetfeltdetektor.

2. Vinkelgiver ifølge krav 1, karakterisert ved at både ringkjernen (9) med følerspolene (11, 12) og den dreibare magnet (5) er anbrakt i et i forhold til jordmagnetfeltet i hovedsaken avskjermet rom (hus 1).

3. Vinkelgiver ifølge krav 2, karakterisert ved at den dreibare magnet (5)er anordnet utenfor et lukket innerrom (3)i hvilket ringkjernen (9) og i det minste deler av en elektronikk (15 - 19) som står i forbindelse med følerspolene for utnyttelse av de induserte signaler, og som mater en magnetiseringsspole på ringkjernen, er anbrakt.

4. Vinkelgiver ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at det som dreibar magnet tjener en med en dreieakse forbundet stavmagnet.

5. Vinkelgiver ifølge ett av kravene 1-4, karakterisert ved at den dreibare magnet (5) i hovedsaken består av en kunststoffskive i hvilken det er innstøpt permanentmagnetiserte legemer (13, 14).