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Die Erfindung betrifft ein induktives
Wegmessgerät
mit einem magnetischen Geber und einem eine Oszillatorspule aufweisenden
Wegaufnehmer.
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Ein derartiges Wegmessgerät ist aus
der
DE 200 09 335
U1 vorbekannt. Dieses vorbekannte Wegmessgerät besitzt
zwei auf einer Platine angeordnete Planarspulen, die eine im Wesentlichen
dreieckige Wicklungsform haen.
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Im Stand der Technik sind ferner
induktive Näherungsschalter
bekannt, die bei einem Annähern eines
magnetischen Gebers beim Erreichen eines vorgegebenen Abstandes
ihr Ausgangssignal ändern.
Derartige Schalter können
eine Spule aufweisen, welcher ein amorphes Metallband zugeordnet ist,
welches eine hohe Permeabilität
besitzt und in die magnetische Sättigung
treibbar ist.
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Im Stand der Technik sind ferner
analoge Wegmessgeräte
bekannt, die nach dem Tauchstangen-Prinzip arbeiten. Ein metallischer
oder magnetischer Anker wird in eine Spule eingetaucht. Aus den sich
dabei ändernden
magnetischen Eigenschaften des Spulensystems kann eine Information über den Eintauchweg
der Tauchstange gewonnen werden. Nachteilhaft ist die große erforderliche
Baulänge
einer derartigen Vorrichtung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
analoges induktives Wegmessgerät
gebrauchsvorteilhaft weiterzubilden.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die
in den Ansprüchen
angegebene Erfindung.
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Der Anspruch 1 sieht zunächst und
im Wesentlichen vor, dass die Oszillatorspule auf einem elektrisch
nicht leitenden, vom magnetischen Geber bei Annä herung in die magnetische Sättigung
bringbaren, sich im Wesentlich über
den gesamten Weg erstreckenden Spulenträger sitzt. Diese Vorrichtung ist
gegenüber
der bekannten Tauchstangen-Vorrichtung erheblich platzgünstiger
und somit universeller einzusetzen. Der magnetische Geber wird an
dem Spulenträger
vorbeibewegt. Dabei kann der magnetische Geber einen relativ großen Querabstand
zum Spulenträger
besitzen. Dies hat den Vorteil, dass der Magnet beispielsweise einem
Kolben, einer Kolbenzylindereinheit zugeordnet werden kann. Der
Wegaufnehmer kann dem Zylindergehäuse zugeordnet sein. Der Spulenträger wird
vom Magneten bereichsweise in die magnetische Sättigung getrieben. Je nach
Position des Magneten relativ zum Spulenträger ist der Spulenträger auf
einer unterschiedlichen Länge
in die magnetische Sättigung
gebracht. Dies hat zur Folge, dass sich Permeabilität des vom
Spulenträger
gebildeten Spulenkerns und damit die Induktivität der Oszillatorspule ändert. Die
Folge davon ist eine Änderung
der Resonanzfrequenz des Oszillators. Je größer der Bereich des Spulenträgers ist, welcher
in die magnetische Sättigung
getrieben worden ist, desto geringer wird die Induktivität der Oszillatorspule
und desto höher
wird die Resonanzfrequenz des Oszillators. Aus dem Frequenzgang
des Oszillators kann somit unmittelbar auf die Position des Wegaufnehmers,
der sich parallel zur Erstreckungsrichtung des Spulenkörper bewegen
kann, geschlossen werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung der
Erfindung besitzt der Spulenträger
an einem oder an seinen beiden Enden Hilfsmagneten. Diese Magnete
haben eine geringere Stärke
als der Magnet des magnetischen Gebers. Ihre Stärke reicht nicht aus, um den
Spulenträger
in die magnetische Sättigung
zu bringen. Diese beiden Magneten bewirken eine Steigerung der Empfindlichkeit
des Systems, da sie zu einer Vormagnetisierung des Spulenträgers führen. In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Spulenträger als
dünner Stab
ausgebildet ist. Er kann von einem Ferritstab ausgebildet sein,
da dieser elektrisch nicht leitend ist und bei größeren Magnetfeldstärken in
die Sättigung bringbar
ist, so dass sich die Induktivität
der Spule ändern
kann. Der Spulenträger
kann nicht nur, wie es bei der einfachsten Lösung der Fall ist, vom Ferritkern
selbst ausgebildet werden. Es ist auch vorgesehen, dass der Spulenkörper beispielsweise
von einem Kunststoffteil ausgebildet wird, in den der Ferrit dann
lediglich hineingesteckt werden kann. Diese Lösung ist insbesondere für einen
langen, dünnen
Ferrit vorteilhaft. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Spule eine inhomogene Wicklungsdichte besitzt. Die Wicklungsdichte
der Spule kann beispielsweise in Verlagerungsrichtung des Gebers
bzw. in Erstreckungsrichtung des Stabes kontinuierlich und insbesondere
gleichmäßig zunehmen. Es
ist aber auch vorgesehen, dass die Wicklungsdichte entsprechend
einer Funktion ungleichmäßig sich ändert. Durch
eine derartige Maßnahme
kann die Frequenz/Weg-Kennlinie des Wegaufnehmers linearisiert werden.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die inhomogene Spule von zwei
oder mehr Teilspulen mit definierter Wicklungsdichte gebildet wird.
Dies ist herstellungstechnisch einfacher. Beispielsweise kann eine
erste Teilspule eine geringe Wicklungsdichte besitzen und sich im
Wesentlichen über
den gesamten Weg erstrecken, den der Geber zurücklegen kann. Eine andere Teilspule
besitzt eine erheblich höhere
Wicklungsdichte und sitzt an einem Ende des Spulenkörpers. Die
beiden Teilspulen haben bevorzugt den gleichen Wicklungssinn. Auch
durch diese Maßnahme
ist eine Linearisierung der Kennlinie möglich. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Wegmessgerätes liegen
u.a. darin, dass der Abstand des magnetischen Gebers zum Wegaufnehmer
groß gewählt werden
kann. Es sind Abstände
von bis zu 20 mm möglich.
Des Weiteren sind große
Messlängen möglich. Messlängen von
120 mm und mehr sind durchaus verwirklichbar. Darüber hinaus
eröffnet
die Beeinflussung der Inhomogenität der Wicklungsdichte die Möglichkeit,
die Kennlinie zu linearisieren. Außerdem ist es möglich, den
Ferritstab sehr dünn
zu gestalten, so dass er in enge Nuten einlegbar ist. Schließlich ist
es auch möglich,
den Ferritstab als Bogenkörper
auszubilden, so dass mit dem Wegmessgerät auch Winkel gemessen werden
können.
Der magnetische Geber bewegt sich dann auch auf einer Bogenbahn,
deren Bogen konzentrisch ist zum Bogen des Spulenträgers.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden nachfolgend anhand beigefügter
Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
- 1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung in grob schematisierter Darstellung,
- 2 die zugehörige Frequenz/Weg-Kennlinie,
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einer grob schematisierten Darstellung,
- 4 die zugehörige Frequenz/Weg-Kennlinie,
- 5 blockschaltbildlich
den Aufbau eines Wegmessgerätes, 6 ein Anwendungsbeispiel in Form eines
analogen Stellgliedes und
- 7 einen Schnitt
gemäß der Linie
VII-VII in 6.
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Das in der 1 dargestellte analoge induktive Wegmessgerät besitzt
einen Spulenkörper 5,
der von einem Ferritstab gebildet ist. Auf dem Spulenkörper 5 befindet
sich eine Spulenwicklung 3, die mit einer Oszillatorschaltung 6 verbunden
ist. Die Spule 3 erstreckt sich über die gesamte Länge des
Ferritstabes 5. An den beiden Enden des Ferritstabes 5 befinden
sich vor Kopf in berührender
Anlage jeweils Hilfsmagnete 7, 8. Die Hilfsmagnete 7, 8 sind
gleichsinnig polarisiert. Die Polachse der beiden Hilfsmagneten 7, 8 verläuft in Erstreckungsrichtung
des Ferritstabes 5.
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In einem Querabstand zum Ferritstab 5 befindet
sich ein magnetischer Geber 1, der parallel zur Erstreckungsrichtung
des Ferritstabes 5 verlagerbar ist. Die axiale Position
von einem Ende des Ferritstabes 5 ist in den Zeichnungen
mit D bezeichnet. Die magnetische Polausrichtung des Gebers 1 ist
antiparallel zur Ausrichtung der Polachsen der beiden Hilfsmagneten 7, 8,
so dass sich ein im Wesentlichen kreisgeschlossenes Magnetfeld durch
die Magnete 1, 7, 8 einstellen kann.
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Befindet sich der Magnet 1 im
Bereich eines Endes des Ferritstabes 5, so ist nur der
Endbereich des Ferritstabes 5 magnetisch in die Sättigung
gebracht. Nur dieser kleine Bereich besitzt eine geringe Permeabilität. Der übrige Bereich
des Ferritstabes besitzt eine erheblich größere Permeabilität. Dies
hat zur Folge, dass der Oszillator, zu welchem die Oszillatorspule 3 gehört, eine
niedrige Eigenfrequenz besitzt. Wird der magnetische Geber 1 in
Parallelrichtung zur Erstreckungsrichtung des Stabes 5 entlang des
Stabes in Richtung D bewegt, beispielsweise bis in die in 1 dargestellte Position,
so verlängert sich
diejenige Strecke des Spulenträgers 5,
welche in die magnetische Sättigung
gebracht ist. Zufolge dieses vergrößerten Volumenbereichs der
in die magnetische Sättigung
gebracht worden ist, verringert sich die Gesamtinduktivität der Oszillatorspule,
was eine Steigerung der Frequenz zur Folge hat.
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Der Frequenzgang über die Position des magnetischen
Gebers ist in der 2 dargestellt.
Man erkennt, dass die Frequenz von der Position des magnetischen
Gebers abhängig
ist. Zufolge des symmetrischen Aufbaus des Wegaufnehmers 2 ist
auch die Frequenz/Weg-Kennlinie symmetrisch.
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Mittels einer geeigneten Auswerteschaltung, die
in 5 dargestellt ist,
und die einen Frequenz-in-Spannungs-Umwandler 15 aufweist,
dem ein Offset-Korrekturglied 9 angeschlossen
ist, welches mit dem Eingang eines Verstärkers 10 verschaltet
ist, lässt
sich ein zur Position des Gebers analoges Ausgangs signal erzeugen.
Mittels nicht dargestellten analogen oder digitalen Korrektureinheiten lässt sich
das Ausgangssignal linearisieren.
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Bei dem in der 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel
besteht die Oszillatorspule aus zwei Wicklungen. Die erste Wicklung 3 entspricht
im Wesentlichen der Wicklung 3 des ersten Ausführungsbeispiels
und erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des
Ferritstabes 5. Diese erste Wicklung 3 besitzt
eine relativ geringe Wicklungsdichte. Zusätzlich besitzt die Oszillatorspule eine
zweite Teilspule 4, die lediglich an einem Ende des Ferritstabes 5 angeordnet
ist, und die eine erheblich höhere
Wicklungsdicke aufweist, als die erste Teilspule 3. Die
beiden Spulen 3,4 können übereinander liegen. Bevorzugt
ist jedoch, dass die Spulen 3, 4 in Serie hintereinander
geschaltet sind, wie es im Schaltbild der 5 dargestellt ist. Die beiden Spulen 3, 4 haben
dann bevorzugt den gleichen Wicklungssinn.
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Zufolge der zweiten Oszillatorspule 4 ist
dem gesamten Wegaufnehmer 2 die symmetrische Gestalt genommen.
Infolge dessen ist auch die in 4 dargestellte
Frequenz/Weg-Kennlinie nicht mehr symmetrisch. Mittelst der zweiten
Oszillatorspule 4 lässt
sich die Kennlinie sogar linearisieren.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
können
mehrere Teilspulen mit unterschiedlicher Wicklungsdichte an unterschiedlichen
Positionen auf dem Ferritstab angeordnet werden, um so die Kennlinie
weiter zu beeinflussen. Es ist auch vorgesehen, das Wegmessgerät mit nur
einer einzigen Wicklung auszugestalten, deren Wicklungsdichte über die
Erstreckungslänge
des Ferritstabes 5 variiert. Auch hierdurch kann die Kennlinie
in eine gewünschte
Form gebracht werden.
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Die 6 und 7 zeigen ein Anwendungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Wegmessgerätes. Es handelt
sich dabei um ein analoges Stellglied mit einem Gehäuse 11,
in welchem ein Stellorgan 12 linearverschieblich gelagert
ist. Das Stellglied 12 ist lediglich angedeutet. Es kann
sich um einen Kolben handeln. Das Gehäuse 11 bildet dann
einen Zylinder aus. Der Kolben 12 kann beispielsweise pneumatisch
oder hydraulisch hin- und herverlagert werden.
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Das Stellorgan 12 besitzt
einen Magneten 1. Dieser befindet sich an dem dem Gehäuse zugeordneten
Ende des Stellorganes 12.
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Parallel zur Erstreckungsrichtung
des Stellorganes 12 besitzt das Stellgliedgehäuse 11 eine T-förmige Nut.
In dieser T-förmigen
Nut 14 1iegt ein dünner
Ferritstab 5 ein. Um den Ferritstab sind die Wicklungen
zweier Oszillator-Teilspulen 3, 4 in
der Art gewickelt, wie sie zu den 3 und 4 beschrieben worden ist.
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Wird das Stellorgan 12 in
Richtung des Doppelpfeiles verlagert, so ändert sich die Position des Gebers 1 gegenüber dem
Ferritstab. Dies hat zur Folge, dass sich die Induktivität der Oszillatorspulen 3, 4 ändert. Aus
der Änderung
des Frequenzganges, die entsprechend der 4 erfolgen kann, wird mittelst der in 5 dargestellten Schaltung
ein analoges Ausgangssignal erzeugt. Das Ausgangssignal kann eine
Spannung sein oder ein Strom. Der Wert der Spannung bzw. des Stroms
kann Null sein, wenn das Stellorgan 12 vollständig eingefahren
ist. Die Spannung bzw. der Strom erreicht ihren/seinen Maximalwert,
wenn das Stellorgan 12 vollständig ausgefahren ist. Ansonsten
entspricht der Wert der Ausgangsspannung der Vortrittsstellung des
Stellorganes 12.
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Alle offenbarten Merkmale sind (für sich)
erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit
auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen
(Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch
zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender
Anmeldung mit aufzunehmen.