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Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines elektrisch leitenden Elementes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines elektrisch leitenden Ele- mentes, welches einen Teil eines geschlossenen, elektrisch leitenden Kreises bildet, wobei eine Erreger- vorrichtung vorgesehen ist, die einen elektrischen Strom veranlasst, im elektrisch leitenden Kreis zu fliessen, und hat insbesondere Bezug auf die Bestimmung der Lage von zwischen zwei Walzengerüsten durchhängenden Metallsträngen ("Zwischenständer-Schleife") bei Profil - oder Stangenwalzwerken.
In der Walzwerks-Terminologie bedeutet die Bezeichnung"Zwischenständer-Schleife"einen Ab- schnitt des Materials, das gewalzt wird, welcher Abschnitt zwischen einem Paar benachbarter Walzge- rüste hängt.
Wie bereits bekannt, ist die Grösse dieser Schleife (der Durchhang) bei einem Profil- oder Stangen- walzwerk von Wichtigkeit zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Walzen, nachdem ein zu grosser Durchhang das Entstehen von Verdickungen verursachen, ein zu geringer Durchhang zu hohe Spannungen und damit Deformationen des gewalzten Produktes hervorrufen kann. Es ist daher notwendig, die Lage der Schleife bestimmen zu können.
Normalerweise sind die Vorrichtungen zur Kontrolle der Zwischenständer-Schleife und andere Geräte zur Lagenbestimmung entweder von der photoelektrischen Art, welche häufig einen grossen Aufwand für die Unterhaltung erfordert, wenn sie unter schwierigen Bedingungen zu arbeiten hat, oder sie machen
Gebrauch von mechanischen Kontakten, was aber schwierig zu handhaben ist und Abnützungserscheinungen zeitigt, wenn die Verwendung im Zusammenhang mit sich bewegenden Objekten stattfindet, oder sie sind abhängig von der Messung der Kapazität zwischen dem Element und einer stationären Gegenelektrode, was aber oft unzuverlässig ist infolge der Anwesenheit von fremden metallischen oder sonstigen Körpern, welche Kapazitäten hervorrufen.
Es ist auch eine Einrichtung zum Umsetzen der Lageänderung eines mechanischen Organes in eine Wechselspannung bekannt geworden, bei welcher zwei feste, identische Magnetjoche vorgesehen waren sowie ein längsverschiebbarer, als Anker dienender Stab, welcher sich in den Luftspalten der beiden Joche befand. Die beidenjoche waren mit vom gleichen Wechselstrom durchflossenen Wicklungen versehen und überdies trug jedes Joch eine weitere Wicklung, in welcher eine mehr oder weniger hohe Wechselspannung induziert wurde, je nach der jeweiligen Lage des Stabes. Dieser Stab musste jedoch aus ferromagnetischem Material bestehen, um den magnetischen Fluss in den, Jochen verändern zu können. Solche Einrichtungen eigneten sich daher nicht zur Anzeige der Lage von Körpern aus Nichteisenmetallen.
Ziel der Erfindung ist es, die angeführten Nachteile der bekannten Einrichtungen zu vermeiden und eine Einrichtung zu schaffen, welche sich für die Lagenbestimmung leitender Körper ohne Rücksicht auf das Material, aus welchem diese bestehen, eignet.
Hiezu wird bei einer Einrichtung der eingangs angeführten Art eine elektromagnetische, mit dem Element zusammenwirkende Detektoreinrichtung vorgesehen, um ein Signal zu erzeugen, wenn ein Strom das Element durchfliesst, welches Signal sich mit der Lage des Elementes ändert.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine elektromagnetische Erregereinrichtung vorgesehen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden anHand von Ausführungsbeispielen unter Bezug- nahme auf die Zeichnung beschrieben, in welcher Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Teiles eines
Stangenwalzwerkes mit zur Vereinfachung weggelassenen Teilen ist und eine Vorrichtung gemäss der Er- findung zeigt ; Fig. 2 ist ein Schaltbild einer Komparator-Schaltung für die Vorrichtung nach Fig. 1, in
Verbindung mit Steuereinrichtungen, und Fig. 3 ist eine vereinfachte Darstellung, welche eine andere
Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Gemäss der Fig. 1 der Zeichnung hängt die Stange zwischen den Walzen 2. 2a zweier aufeinander- folgender Walzengerüste 3, 3a durch und bildet so eine "Zwischenständer-Schleife", deren Lage über- wacht werden soll. Die Stange bildet weiters einen Teil eines geschlossenen elektrischen Kreises, welcher durch die Walzengerüste 3, 3a und Erde vervollständigt wird.
Der Erreger 18 umfasst einen geschlossenen Magnetkern 4, welcher die Stange 1 umgibt, und eine
Spule 5, welche auf einen Schenkel des Kernes 4 gewickelt ist und mit einer Stromquelle 6 in Verbindung steht. Der Strom, welcher durch die Spule 5 fliesst, induziert einen Strom in dem geschlossenen elek- trischen Kreis.
Eine mit einem offenen Kern versehene Einheit 7 ist an jener Stelle angeordnet, an welcher die Lage der Stange zum Zwecke der Überwachung bestimmt werden soll. Die Einheit 7 umfasst ein offenes Joch 8 aus magnetischem Material in. form eines U und eine Spule 9, welche den Steg dieses U umgibt. Die den induzierten Strom führende Stange 1 geht zwischen den Schenkeln des U-förmigen Joches 8 hindurch und hiemit wird eine Spannung in der Spule 9 induziert.
Die Flussverbindung (Kopplung) zwischen der Spule
9 und der Stange 1 ändert sich mit der Lage der Stange l, so dass die Grösse der induzierten Spannung nicht nur von der Grösse des Stromes, der in der Stange 1 fliesst, sondern auch von der Lage der Stange gegen- über der Spule 9 abhängig ist,
Die Grösse der Spannung ist sehr gering für Lagen der Stange 1 ausserhalb des U-förmigen Joches und ist grösser für Lagen innerhalb des Joches ; sie nimmt zu bis zu einem Maximalwert, wenn sich die Stange
1 dem Grunde oder Steg des U-Joches nähert, wobei die maximale Flussverbindung (Kopplung) zwischen . der Spule 9 und dem geschlossenen elektrischen Kreis eintritt.
Es ist hervorzuheben, dass die mit dem offenen Joch versehene Einheit 7 als Detektor arbeitet und von der Spule 9 kann ein Signal, welches sich mit der Lage der Stange 1 ändert, abgenommen werden. Dieses
Signal kann in der üblichen Weise verwertet werden. Es kann beispielsweise verwendet werden, um An- zeigeeinrichtungen zu betätigen. Anderseits kann es auch verwendet werden, um Steuereinrichtungen zur Regulierung der Lage der Stange 1 zu beeinflussen.
Es ist vorteilhaft, ein U-förmiges Joch 8 mit parallelen Schenkeln zu verwenden, nachdem das ma- gnetische Feld zwischen solchen parallelen Schenkeln im wesentlichen gleichmässig ist. Dies resultiert in guter Linearität zwischen der Lage der Stange l und dem Ausgangssignal von der Spule 9. Hiemit ist das Ausgangssignal im wesentlichen unabhängig von seitlichen Abweichungen oder von seitlichem Spiel der Stange 1.
Es ist natürlich auch möglich, ein offenes magnetisches Joch von jeder andern Form zu verwenden, jedoch verursacht dies eine Abhängigkeit von der seitlichen Bewegung. Die Schenkel können beispielsweise konvergieren oder divergieren oder es kann auch eine Hufeisenform vorgesehen werden.
Es ist weiters hervorzuheben, dass in gleicher Weise der Erregerstrom in dem elektrischen Kreis durch die Spule 9 hervorgerufen werden kann, u. zw. mittels der mit einem offenen Joch versehenen Einheit 7, und dass das sich mit der Lage der Stange 1 ändernde Signal von der Spule 5 der Einheit 18 abgenommen werden kann. In diesem Falle ändert sich der Strom, der in dem elektrischen Kreis induziert vlird, mit der Lage der Stange 1.
Die Einheit 7 mit der Spule 9 auf dem offenen Joch aus magnetischem Material kann durch jede andere Spule mit offenem Joch ersetzt werden, die für eine Flusskopplung zwischen dieser Spule und der Stange 1 geeignet ist, wenn einer dieser Teile stromführend ist, welcher Strom sich mit der Lage der Stange 1 ändert, gleichviel, ob magnetisches Material verwendet ist oder nicht. Es ist beispielsweise vorgesehen, dass eine Art selbsttragend'er Toroid-Spule, welche zu einer U-Form oder Hufeisenform ge- öffnet ist, verwendet werden kann. Eine derartige Spule hat in ihrem Inneren kein magnetisches Material.
Ein Signal, welches von der Spule 5 oder von der Spule 9, je nach der Lage des Falles, abgenommen wird, ist-abgesehen von der Lage der Stange 1 gegenüber dem U-förmigen Joch 8, auch abhängig von Änderungen des Stromes in der Schleife als Folge vonErscheinungen wie Änderungen in der Speisespannung für die Erregerspule, Änderungen der Länge der Stange zwischen den Walzengerüsten 3, Sa und dem Widerstandswert der Stange 1. über ihre Länge. Es ist klar, dass andere Änderungen als solche, die der Änderung der Lage der Stange 1 entsprechen, das Signal veranlassen können, unzutreffende Informationen zu übertragen.
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Das Problem der Änderung in der Stromversorgung kann durch Vergleich der an der Detektorspule entstehenden Spannung mit der Spannung, welche an der Erregerspule entsteht, gelöst werden. Hiedurch werden aber Veränderungen des Widerstandswertes nicht ausgeglichen.
Bei der soeben beschriebenen Anordnung können aber auch Schwierigkeiten entstehen als Folge von
Phasendifferenzen zwischen den Spannungen an der Erregerspule und an der Detektorspule. Solche Phasen- differenzen können aber durch Gleichrichten der Spannungen zum Zwecke des Vergleiches beseitigt werden.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann eine Bezugseinheit 10 vorgesehen werden, wie dies in Fig. 1 ersichtlich ist. Die Bezugseinheit 10 umfasst den geschlossenen magnetischen
Kern 11, welcher eine Spule 12 trägt. Der elektrische Kreis wird durch die Einheit 18 erregt. Ein Signal, welches sich sowohl mit der Lage der Stange 1 als auch mit dem Strom, welcher über den elektrischen
Kreis fliesst, ändert, kann von der mit offenem Joch versehenen Einheit 7 abgenommen werden. Da der
Kern 11 geschlossen ist, ist die Flussverbindung (Kopplung) zwischen der Spule 12 und der Stange 1 unab- hängig von der Lage der Stange 1. Demnach erzeugt die Bezugseinheit 10 ein Signal, welches sich mit dem Fluss, welcher im elektrischen Kreis vorhanden ist, ändert, jedoch im wesentlichen unabhängig ist- von der Lage der Stange 1.
Durch Vergleichen der Signale, welche von der mit offenem Kern versehenen
Einheit 7 und von der Bezugseinheit geliefert werden, kann ein resultierendes Signal erhalten werden, welches im wesentlichen unabhängig ist von der Grösse des Flusses im Kreis, solange ein Strom fliesst.
Zum Zwecke des Vergleiches können die Spulen 9 und 12, wie in Fig. 2 gezeigt, in einer Brücken- schaltung angeordnet werden, welche Widerstände 13, 14 und eine Stromquelle 15 umfasst. Die Brücke ist im Gleichgewicht und hat eine Ausgangsspannung von Null, wenn sich die Stange in einer bestimmten vorgegebenen Stellung befindet. Jede Abweichung der Stange 1 aus dieser Lage stört das Gleichgewicht der
Brücke und erzeugt so eine Ausgangsspannung.
Es ist hiezu hervorzuheben, dass Änderungen des Stromes im Kreis als Ergebnis von Änderungen in der
Stromversorgung oder Änderungen des Widerstandswertes keine Störung des Brückengleichgewichtes hervor- rufen und damit keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung der Brücke haben.
Jede Ausgangsspannung der Brücke wird im Verstärker 16 verstärkt und wird der Steuereinrichtung 17 übermittelt, welche mit einer Rückführung versehen sein kann. Die Steuereinrichtung 17 kann die Ge- schwindigkeit des Walzengerüstes unmittelbar in irgendeiner üblichen Weise regeln. Anderseits kann die mit offenem Kern versehene Einheit 7 gemäss Fig. l auf einem beweglichen Wagen (nicht dargestellt) montiert sein, wobei die Ausgangsspannung der Brücke die Steuereinrichtung 17 so beeinflussen kann, dass sie die Stellung der mit offenem Kern versehenen Einheit 7 in solch'einer Weise verändert, dass die
Brücken-Ausgangsspannung wieder Null wird. Die Lage der Stange 1 wird somit in Übereinstimmung mit der Bewegung der mit offenem Kern versehenen Einheit 7 eingestellt, welche abhängig ist von der Lage der Stange 1.
Bei der Ausführungsform nach der Fig. 3 ist ein Paar von Einheiten 7a, 7b mit offenen magnetischen Kernen 8a, 8b vorgesehen, wobei die Stange la dazwischen hindurchgeht. Die Spulen 9a und 9b sind in Serie und mit entgegengesetztem Sinne zusammengeschaltet. In der Stange la kann mit Hilfe einer Erregereinheit, die ähnlich ist der in Fig. l mit 18 bezeichneten Einheit, ein Strom induziert werden. In jeder der Spulen 9a, 9b wird ein Signal erzeugt werden, welches sich mit der Lage der Stange 1 und mit dem in der Stange la fliessenden Strom ändert. Ein resultierendes Ausgangssignal kann an den Anschlüssen 13 abgenommen werden. Wenn sich die Stange la in der Mitte zwischen den Einheiten 7a, 7b befindet, so wird das Ausgangssignal an den Anschlüssen 13 gleich Null.
Das Ausgangssignal wird aber von Null abweichen, wenn die Stange eine Abweichung aus ihrer mittleren Lage erfährt.
Die Einheiten 7a, 7b können zusammen beweglich angeordnet sein ; ein an den Anschlüssen 13 abgenommenes Ausgangssignal kann verwendet werden, um die Lage der Einheiten 7a, 7b einzustellen und so das Ausgangssignal wieder auf Null zu bringen. Die Lage der Stange 1 wird so in Übereinstimmung mit der Bewegung der Einheiten 7a und 7b geregelt.
Es ist auch möglich, das System mittels der mit offenem Kern versehenen Einheiten 7a und 7b zu erregen, in welchem Falle der im elektrischen Kreis induzierte Strom sich mit der Lage der Stange la ändern wird. Ein Signal, welches sich mit der Lage der Stange la ändert, kann so mit Hilfe einer Einheit wie jene in Fig. l mit 18 bezeichnete erhalten werden. Die Lage der Stange 1a kann auch in Übereinstimmung mit der Bewegung der Einheiten 7a, 7b eingestellt werden, womit das Signal auf Null gebracht wird.
An Stelle der Verwendung von nur einem Paar von Einheiten 7a, 7b können zwei oder mehrere, mit offenem Kern versehene Einheiten vorgesehen werden.
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Ein System zur Lagenbestimmung gemäss der Erfindung arbeitet berührungslos, zeigt kontinuierlich an, ist in seiner Arbeitsweise sehr einfach und robust und erfordert nur eine geringe, zusätzliche Aus- rüstung.
Es ist hervorzuheben, dass viele Abänderungen der Einzelheiten möglich sind, ohne den Rahmen der
Erfindung hiezu verlassen zu müssen. So ist'beispielsweise magnetisches Material für die Kerne der Spulen nicht wesentlich und bei sehr hohen Frequenzen kann es sogar wünschenswert sein, kein magnetisches
Material zu verwenden.
Die Erfindung ist auch nicht auf die Anwendung auf die Lagenbestimmung von Zwischengerüst-Schleifen bei Walzwerken beschränkt. Sie kann für die Bestimmung und bzw. oder Steuerung der Lage anderer
Elemente verwendet werden, wie etwa die stählernen Hubs eile in Bergwerken oder die Werkzeugträger von Drehbänken. In diesem letzteren Falle kann ein geschlossener elektrischer Kreis vom Werkzeugträger, vom
Werkzeug, von dem zu bearbeitenden Werkstück und von der Drehbank gebildet werden. Es ist auch ins
Auge gefasst, dass bei bestimmten Anwendungen der Strom durch andere Mittel als elektromagnetische In- duktion veranlasst wird, durch das Element zu fliessen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lage eines elektrisch leitenden Elementes, welches einen Teil eines geschlossenen, elektrisch leitenden Kreises bildet, wobei eine Erregervorrichtung vorgesehen ist, die einen elektrischen Strom veranlasst, im elektrisch leitenden Kreis zu fliessen, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektromagnetische, mit dem Element zusammenwirkende Detektoreinrichtung vorgesehen ist, um ein Signal zu erzeugen, wenn ein Strom das Element durchfliesst, welches Signal sich mit der Lage des Elementes ändert.