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Einrichtung zur kontaktlosen Umwandlung mechanischer Ausschläge in
elektrische Größen auf induktiver Grundlage Die Umwandlung mechanischer Ausschläge
in elektrische Größen wird heute im allgemeinen entweder durch Potentiometer, Drehtransformatoren
oder Tauchspulen erreicht. Im ersten Falle ist ein stets mit Nachteilen verbundener
Schleifkontakt anzuwenden, im zweiten Falle müssen, wenn geradlinige Ausschläge
vorliegen, diese durch ein mechanisdies Getriebe in Drehbewegungen umgeformt werden.
Durch diese mechanischen Mittel ist ein bestimmtes Spiel bedingt. Drehtransformatoren
haben jedoch vor allem den Nachteil, daß infolge der verhältnismäßig großen Masse
ihres Ankers eine große Trägheit vorliegt, die besonders bei raschem Richtungswechsel
der Bewegung der Anwendung eines solchen Drehtransformators eine baldigeGrenze setzt.
Meßeinrichtungen nach dem Tauchspulenprinzip wurden bisher mit dauermagnetischem
und mit weichmagnetischem Tauchkern mit oder ohne Rückschluß ausgebildet. Ein dauermagnetischer
Tauchkern bringt in der Regel Nichtlinearitäten in der Meßkennliuie sowie erhöhte
Wirbelstrom- und Hysteresisverluste mit sich, die das Meßergebnis verfälschen. Außerdem
entstehen bei verschiedener Eintauchtiefe erhebliche unterschiedliche Kraftwi rkungen
auf den Tauchkern.
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Bei Tauchspulen mit weichmagnetischem Tauchkern ohne Rückschluß ist
der wesentlichste Nachteil ebenfalls darin zu sehen, diaß nur in kleinen Bereichen
ein linearer Zusammenhang zwischen der Eintauchtiefe des Kernes in die Spule und
dem Spulenstrom, dessen Größe als Maß für den Ausschlag dient, besteht. Eine gewisse
Verbesserung ist durch einen magnetischen Rückschluß zu erzielen, wobei in einer
Öffnung des Rückschlusses der Tauchkern senkrecht beweglich angeordnet ist, so daß
der wirksame Meßluftspalt zwischen dem unteren Ende des Tauchkernes und dem gegenüberliegenden
Teil des Rückschlusses gebildet wird. Auch bei einer derartigen Anordnung ist es
jedoch bisher nicht möglich erschienen, ohne weiteres eine lineare Kennlinie zu
erhalten, sondern man hat zur Linearisierung kurzgeschlossene Hilfswicklungen angewendet.
Derartige Hilfswicklungen werden nun aber bei genauen Meßeinrichtungen gerne vermieden.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur kontaktlosen
Umwandlung mechanischer Ausschläge in elektrische Größen auf induktiver Grundlage
mit einer der genannten Tauchkernspulen mit weichmagnetischem Rückschluß. Gemäß
der Erfindung werden besondere Linearisierungsmaßnahmen dadurch entbehrlich gemacht,
daß der Rückschluß im Schnitt C-förmig und an sich ohne Luftspalt ausgebildet ist
und Hilfsluftspalte zwischen Tauchkern und Rückschluß am Ort der Öffnung derart
bemessen sind, daß bereits bei geschlossenem Meßluftspalt der nicht-
lineare Anfangsabschnitt
der Kennlinie Meß Strom Ausschlag überschritten ist.
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Maßgeblich für den zu erzielenden Erfolg ist die Größe des Hilfsluftspaltes.
Dieser darf weder zu klein noch zu groß sein. Nur bei genauer Bemessung kann einerseits
ein linearer und andererseits ein möglichst großer ausnutzbarer Meßbereich erreicht
werden.
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Die Meßeinrichtung nach der Erfindung kann bei verhältnismäßig kleiner
Trägheit große Ausschläge ohne Anwendung mechanischer Übersetzungsmittel erfassen,
ergibt aber andererseits auch bei kleinen Ausschlagsänderungen bereits relativ große
elektrische Meßwertänderungen.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
schematisch dargestellt.
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Fig. 1 zeigt einen Tauchkern 1, der, wie durch einen Pfeil 2 angedeutet
ist, mechanische Ausschläge ausführt, die beispielsweise von einem nicht mit dargestellten
Meßgestänge übertragen werden. Der Kern 1 ist beweglich in einer Spule 3 angeordnet
die von einem rahmenförmigen weichmagnetischen Rückschluß 4 umgeben und damit fest
verbunden ist. An zwei mit 5 und 6 bezeichneten Klemmen der Meßspule 3 fließt der
Meßwechselstrom zu beziehungsweise ab. Zur Anzeige kann ein Strommesser in diesen
Kreis geschaltet sein. Sein Strom i ist bei konstanter Meßspannung je nach der Eintauchtiefe
des Kernes 1 in die Wicklung3 infolge des unterschiedlichen induktiven Widerstandes
der Meßspule verschieden groß und stellt ein Maß für die Größe des mechanischen
Ausschlages des Kernes 1 dar. An der Bildung des
Meßwertes sind
erfindungsgemäß zwei Luftspalte be teiligt. Der erste wird zwischen dem unteren
Ende des Kernes 3 und dem gegenüberliegenden Teil des Rückschlusses 4 gebildet.
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Seine Länge ist mit Im bezeichnet. Dieser Luftspalt stellt den eigentlichen
Meßluftspalt dar. Der zweite Luftspalt wird zwischen den Enden 7 und 8 des Rückschlusses
und den seitlichen Flächen des Kernes 1 gebildet. Dieser Hilfsluftspalt ändert sich
bei den Bewegungen des Kernes 1 praktisch nicht, da der Tauch kern. im vorliegenden
Falle beispielsweise mit gleichbleibender Dicke ausgeführt und zentrisch gelagert
ist; er ist also konstant, seine Größe ist jedoch von besonderer Bedeutung.
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Fig. 2 zeigt in der unteren Kurve den durch die Meßspule 3 fließenden
Strom i in Abhängigkeit von der Summe L der Luftspalte der Einrichtung nach Fig.
1. Es zeigt sich, daß der Strom i nichtlinear von L abhängt. Die Kennlinie hat im
wesentlichen drei Bereiche: An einen linearen Bereich I geringer Größe schließt
sich ein erheblich nichtlinearer Bereich II an und daran ein großer linearer Bereich
III. Dieser wird bei der Einrichtung nach der Erfindung ausgenutzt, indem man den
zwischen den Teilen 7 und 8 einerseits und dem Tauchkern 1 andererseits gebildeten
Hilfsluftspalt derart bemißt, daß der Bereich II der Kennlinie gerade überschritten
wird. In Fig. 2 ist die Größe des Hilfsluftspaltes mit 1H bezeichnet. Dieser ist
bei den Bewegungen des Kernes 1 konstant. Es ergeben sich dann für die Länge Im
des Meßluftspaltes nur Werte, die im linearen Bereich III liegen. Es zeigt sich,
daß bei einem derart bemessenen Hilfsluftspalt kaum Kräfte vorhanden sind, die den
Kern 1 in die Meßspule 3 hineinziehen. Eine verbleibende geringe Restkraft kann
durch eine Gegenkraft leicht beseitigt werden, beispielsweise durch eine Feder.
In manchem Fall kann aber auch eine verhältnismäßig geringe Lagerreibung des Tauchkernes
1 bereits ausreichen, um ein ungewolltes Hineinziehen des Tauchkernes in die Meßspule
zu verhindern.
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Aus Fig. 2 ergibt sich, daß von einer Länge Im des Meßluftspaltes
vom Punkte Null ab, also dort, wo der Bereich III beginnt, eine lineare linderung
des elektrischen Meßwertes vorliegt. Eine gegebenenfalls noch störende kleine Nichtlinearität
kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch beseitigt werden, daß der
Tauchkern nicht mit gleichbleibender Dicke, sondern konisch ausgebildet wird. Ein
besonderer Vorteil der Einrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß auch bei
Im gleich Null nur verhältnismäßig kleine Verstellkräfte erforderlich sind, uni
den Tauchkern 1 zu bewegen. Dies wird durch die erfindungsgemäße Bemessung des Hilfsluftspaltes
erreicht. Im'Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen, bei denen der mechanische
Rückschluß teil nach der Erfindung fehlt - hierzu ist in Fig. 2 noch die obere Kurve
i f (s) dargestellt, die den Strom i in Ahhängigkeit von dem Eintauchweg s des Kernes
in die Meßspule zeigt , ergibt sich, daß die Änderungen des Meßstromes i um ein
Mehrfaches größer sind, bezogen auf die gleiche Wegänderung des Tauchkernes 1.
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Die Kurven nach Fig. 2 wurden mit einer Einrichtung nach der Erfindung
gemäß Fig. 1 mit etwa folgenden Abmessungen erhalten. Die äußere Höhe ei des Rückschlusses
betrug 65 mm, die innere Höhe R 45 mm. Die Größe LH des Hilfsluftspaltes betrug
etwa 0,4 mm. Der Rückschluß teil war aus genormten Kernblechen in M-Schnitt geschichtet,
bei denen der Mittelschenkel entfernt worden war. Bei dieser Ausführung
wurde mit
der Schaltung nach Fig. 3 in einem Bereich des Meßluftspaltes von l==0 bis ihm=30
mm ein linear ansteigender Meßstrom erzielt. Mit größeren Ausführungen ergeben sich
entsprechend andere Meß;bereiche. Im übrigen ist auch die Ausführungsform der Einrichtung
nach Fig. 1 nur als Beispiel anzusehen.
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Fig. 3 zeigt eine einfache Schaltung, in der die Einrichtung nach
der Erfindung angewendet werden kann.
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Diese ist hier symbolisch durch die Meßspule 4' dargestellt. Die anderen
Teile der Einrichtung nach der Fig. 1 sind der Übersicht kaliber fortgelassen. Die
Meßspule 4 ist mit einem Verbraucher 9 in Reihe geschaltet, der beispielsweise durch
ein Meßinstrument oder ein Registriergerät oder durch den Eingang eines Verstärkers
für Steuer- oder Regelzwecke gebildet sein kann. Die nicht dargestellte Meßspannungsquelle
wird an die Klemmen 10 und 11 angeschlossen. Soll eintGleichstromver,braucher gespeist
werden, so kann, wie in Fig. 4 dargestellt ist, eine Graetzgleichrichteranordnung
14 verwendet werden. Zur Erzielung einer optimalen Widerstandsanpassung kann der
Verbraucher 13 auch über einen Stromtransformator 15 mit der Meßspule 4' in Reihe
geschaltet werden (s. Fig. 5). Diese Schaltung kann mit und ohne Graetzgleichrichteranordnung
14 angewendet werden. Durch Änderung der Meßwechselspannung, die an den Klemmen
10 und 11 zugeführt wird, kann die StromempfindAichkeit eingestellt werden.
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Wird bei einer bestimmten Stellung des Tauchkernes 1 ein Meßwert
Null gewünscht, so wird hierzu nach einem weiteren Merkmal der Erfindung eine an
sich bekannte Brückenschaltung verwendet, bei der ein Brückenwiderstand durch die
Einrichtung nach der Erfindung gebildet wird. Hierzu zeigt Fig. 6 ein Beispiel.
Die Meßspule 4' liegt in einem Zweig einer Brückenschaltung, deren andere Widerstandszweige
durch eine feste Induktivität 16 und zwei ohmsche Widerstände 17 und 18 gebildet
werden. Zum Abgleich der Brücke, bei dem entsprechend einer bestimmten Stellung
des Tauchkernes 1 die Brücke keine Spannung liefern soll, können außerdem zwei Widerstände
19 und 20 vorgesehen sein. Die übrigen Teile mit ihren Bezugszeichen stimmen mit
denen nach Fig. 5 überein. Durch die Anwendung der Graetzgleichrichterschaltung
in Verbindung mitbder Brückenschaltung, in der die Meßspule 4' eingeschaltet ist,
wird noch ein besonderer Vorteil erzielt. Es zeigt sich nämlich, daß trotz der linearen
Abhängigkeit des Stromes in der Meßspule 4' von der Länge Im des Meßluftspaltes,
siehe den Bereich III der Fig. 2, die Spannung an der Ausgangsdiagonale der Brücke
sich nicht linear mit der Länge im des Meßluftspaltes ändert. Es ergibt sich, daß
durch die nichtlineare Charakteristik der Graetz gleichrichterschaltung 14, da diese
eine entgegen gesetzte Nichtlinearität aufweist, ein Ausgleich erzielt wird. Beim
Ausführungsbeispiel der oben beschriebenen Abmessungen, jedoch ohne Stromtransformator
15, ergibt sich die in Fig. 7 dargestellte Abhängigkeit der Ausgangsspannung U (Fig.
6) von der Länge 1,,, des Meßluftspaltes. Sollen kleine mechanische Ausschläge festgestellt
werden, so muß darauf geachtet werden, daß Gleichrichterventile mit verhältnismäßig
geringem Schwellwert verwendet werden. Man wird in diesem Falle daher Germanium
nehmen. Germaniutn-Richtleiter zeichnen sich dadurch aus, daß ihre Stromspannungskemllinie
vom Ursprung her besonders steil etwa 4- bis 5mal steiler als bei Selengleichrichtern,
ansteigt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Brükkenschaltung nach Fig. 6 ist,
daß Temperaturschwankunden eliminiert werden. Im Bereich von 15 bis 60° C
waren
die Meßwertänderungen kleiner als 1 0/o. Es ergab sich ein linearer Meßbereich zwischen
etwa 2,5 bis 28 mm. Die Speisespannung der Brücke nach Fig. 6 betrug 25 V bei 50Hz.
Durch die oben angeführte konische Ausbildung des Tauchkernes kann der lineare Bereich
aber noch vergrößert werden.
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Fig. 8 zeigt schematisch ein konstruktives Ausführungsbeispiel der
Einrichtung nach der Erfindung. Der in Fig. 1 in Aufsicht dargestellte Rückschlußteil
4 ist hier in Seitenansicht zu sehen. Er besteht aus einem geschichteten Blechpaket,
das durch Schrauben 20 und Abstandshülsen 21 auf einer durch eine Gewindespindel
22 verschiebbaren Platte 23 befestigt ist. Die Spindel geht durch eine Mutter 24,
die durch einen nicht sichtbaren Schlitz in der Führungsplatte 34 hindurchragt und
mit der verschiebbaren Platte 23 verbunden ist. Mit 25 ist ein Lager für die Gewindespindel
22 bezeichnet. Am Ende derselben sitzt ein Einstellknopf 26. Die Meßspule ist wieder
mit 4' und der in seiner Lage verschiebliche Tauchkern wieder mit 1 bezeichnet.
An ihn schließt sich eine Führungsstange 27 an, die in einem auf der Platte 23 befestigten
Halter 28 und einer darin eingelassenen !Gleithülse 29 verschiebbar gelagert ist.
Eine weitere Lagerung der Führungsstange wird durch einen Ring 30 gebildet, der
in der vorderen Gehäusewand 31 der Einrichtung befestigt ist. Diese ist zusammen
mit der hinteren Gehäusewand 32 auf einer Grundplatte 33 angebracht.
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Zur Abdeckung nach außen dient eine nicht dargestellte U-förmige Blechhaube,
die über die hintere und vordere Gehäusewand geschoben und befestigt werden kann.
Die Einstellung der Lage des Rückschlusses 4 durch die Gewindespindel 22 und den
Knopf 26 dient dazu, bei einer vorgegebenen Sollstellung des Tauchkernes 1 entsprechend
einem vorgegebenen Ausschlagssollmeßwert einen gewünschten elektrischen Meßwert
einzustellen, beispielsweise bei einer Brückenmeßschaltung nach Fig. 6 die Ausgangsspannung
Null.
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Im übrigen ist weder die konstruktive Ausführung nach Fig.8 noch
die Art der Schaltung, in der die Einrichtung nach der Erfindung verwendet wird,
ausschlaggebend. Die Erfindung ist auch nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 beschränkt; dieses soll vielmehr nur als Anhalt dienen zur Erläuterung
des grundsätzlichen Erfindungsgedankens. So kann der magnetische Rückschluß anstatt
rahmenförmig auch allseitig geschlossen, z. B. topfförmig mit kreisförmiger Grundfläche
ausgebildet sein. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, daß durch äußere Magnetfelder
keine Störspannungen in die Meßspule induziert werden können. Bei hohen'An forderungen
wird man außerdem die Spulenzuführungen verdrillen.
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Es ist auch nicht erforderlich, den durch die Spule fließenden Strom
für die Anzeige der mechanischen Ausschläge zu verwenden. Die Umwandlung derselben
kann vielmehr auch auf galvanomagnetischer Grundlage beruhen, indem im Meßluftspalt
oder besser noch im Hilfsluftspalt ein magnetfeldabhängiger Widerstand, insbesondere
ein solcher mit hoher Trägerbeweglichkeit von mehr als etwa 6000 cm2/Vsec untergebracht
wird, der beispielsweise von einem Wechselstrom durchflossen ist, so daß durch Änderung
des auf diesen Widerstand wirkenden Wechselfeldes der Meßspule4' eine Beeinflussung
des Leitwertes des magnetfeldabhängigen Widerstandes erfolgt. Ist der Strom durch
den Widerstand ein Gleichstrom, so entfällt im Falle eines Gleichstromverbrauchers
die Gleichrichteranordnung. Es ist auch möglich, sowohl den Strom durch die Meßspule
als auch den Strom durch den magnet-
feldabhängigen halbleitenden Widerstandskörper
zur Darstellung der mechanischen Ausschläge zu verwenden. Es ist außerdem möglich,
im Luftspalt der Einrichtung nach der Erfindung einen Hallgenerator anzuwenden.
In diesem Falle kann die Hallspannung als umgewandelte elektrische Größe verwendet
werden.
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Zugleich ergibt sich bei einem Hallgenerator der Vorteil, daß man
mit einer an sich beliebigen weiteren Größe, die durch den Arbeitsstrom des Hallgenerators
dargestellt werden kann, Produkte gebildet werden können, deren einer Faktor der
mechanische Ausschlag und deren anderer Faktor die weitere Größe ist.
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Die Anwendung der Einrichtung nach der Erfindung ist für beliebige
Zwecke möglich; da sie jedoch den Vorteil hat, zur Messung verhältnismäßig großer
Ausschläge und zudem noch mit linearer Abhängigkeit geeignet zu sein, liegt das
Hauptanwendungsgebiet überall dort, wo diese Eigenschaften gefordert werden. Ausschlaggebend
für die Anwendung der Einrichtung nach der Erfindung werden in vielen Fällen auch
die Vorteile der geringen Trägheit und der verhältnismäßig großen Meßwertänderung
bei kleinen Ausschlagsänderungen sein. Hier ist vor allem an die Regelungstechmk
gedacht.
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Die Einrichtung nach der Erfindung kann allgemein zur Messung verwendet
werden. Sie ist von besonderer Bedeutung bei der Dickenmessung sowie bei der Registrierung,
Steuerung oder Regelung irgendeines bewegten bandförmigen Gutes, z. B. eines auszuspinnenden
Wollbandes. Auch zur Tiefen- und Durchgangsmessung ist die Einrichtung nach der
Erfindung gut geeignet. Die Frequenz der die Meßspule 4' speisenden Wechselspannung
kann an sich beliebig sein.
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In vielen Fällen wird zur Lieferung der Speisespannung das 50-Hz-
Wechselstromnetz ausreichen. Falls erforderlich, können auch höhere Frequenzen verwendet
werden, in diesem Falle wird man für die weichmagnetischen Teile der Einrichtung
nach der Erfindung, also den Tauchkern 1 und den rahmenförmigen Rückschluß 4, einen
Werkstoff verwenden, der geringe magnetische Verluste aufweist. Außer, daß man diese
Teile aus geschichteten Blechen aufbaut, können Masse- oder Ferritwerkstoffe verwendet
werden.
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PATENTANSPROCHE: 1. Einrichtung zur kontaktlosen Umwandlung mechanischer
Ausschläge in elektrische Größen auf induktiver Grundlage mit einer Tauchkernspule
mit weichmagnetischeLm Rückschluß, wobei in einer Öffnung des Rückschlusses der
Tauchkern senkrecht zur Ebene der Öffnung beweglich angeordnet ist, so daß der wirksame
Meßluftspalt zwischen dem unteren Ende des Tauchikerns und dem gegenüberliegenden
Teil des Rückschlusses gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückschluß
im Schnitt C-förmig und an sich ohne Luftspalt ausgebildet ist und Hilfsluftspalte
zwischen Tauchkern und Rückschluß am Ort der Öffnung derart bemessen sind, daß bereits
bei geschlossenem Meßluftspalt der nichtlineare Anfangsabschnitt der Kennlinie Meßstrom-Ausschlag
überschritten ist.