DE1163562B - Elektromagnetischer Wandler zur Messung von Verschiebungen. - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G Ol d

Deutsche KL: 42 d-1/12

Nummer: 1163 562

Aktenzeichen: B 42794IX b / 42 d

Anmeldetag: 12. Dezember 1956

Auslegetag: 20. Februar 1964

Es sind zahlreiche Vorrichtungen zur elektrischen Messung mechanischer Verschiebungen bekannt. Diese arbeiten teils kapazitiv, teils induktiv.

Während die meisten bekannten Einrichtungen nur die Messung kleiner Verschiebungen erlauben, werden bei einer bekannten kapazitiven Meßvorrichtung die einander zugekehrten Flächen der Kondensatorelektrode von den Oberflächen zweier Schraubenwindungen gleicher Ganghöhe gebildet, von denen die eine als Schraube in der anderen als Mutter derart liegt, daß sie einander nicht berühren, und die eine gegenüber der anderen sowohl in axialer Richtung bewegt als auch gedreht werden kann. Bei einer axialen Verschiebung ergibt sich also eine periodische Schwankung der Kapazität, und Zwischenstellen lassen sich durch eine entsprechende Drehung bestimmen.

Ein kapazitiver Wandler hat jedoch wesentliche Nachteile gegenüber den induktiven Wandlern. Insbesondere hat er eine sehr hohe Impedanz, wodurch der Störabstand beeinträchtigt und die Störanfälligkeit erhöht wird. Auch verläuft die periodische Kapazitätsänderung nicht sinusförmig, wodurch die Messung erschwert wird. Ferner ist die Herstellung mit der erforderlichen Präzision nicht einfach.

Weiter ist ein elektromagnetischer Wandler zur Messung von Verschiebungen bekannt, der aus einer Reihe wechselstromführender Leiter und einer Reihe von Abnahmeleitern besteht. Diese sind jeweils in Serie geschaltet und derart gegeneinander verschiebbar, daß die in den Abnahmeleitern induzierte Stromstärke von deren Stellung hinsichtlich der stromführenden Leiter abhängt und ein Maximum erreicht, wenn die Abnahmeleiter den stromführenden Leitern unmittelbar gegenüberstehen. Die aktiven Teile der stromführenden Leiter und der Abnahmeleiter verlaufen aber bei dieser bekannten Anordnung senkrecht zur Verschiebungsrichtung, wodurch eine exakte Bestimmung der Zwischenstellungen erschwert wird.

Demgegenüber ist der erfindungsgemäße elektromagnetische Wandler der zuletzt angegebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß die stromführenden Leiter und die Abnahmeleiter als schraubenförmige Primär- und Sekundärwicklungen gleicher Steigung ausgebildet sind, die auf zwei koaxial angeordneten zylindrischen Gliedern angeordnet sind.

Diese Anordnung ist sehr robust, einfach herzustellen und besitzt eine niedrige Impedanz und einen hohen Störabstand. Die Ausgangsspannung bei einer gegenseitigen Verschiebung oder Drehung der beiden Wicklungen verläuft zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stellungen mit maximaler Kopplung streng sinus-

Elektromagnetischer Wandler zur Messung
von Verschiebungen

Anmelder:

Canadian Westinghouse Company Limited,

Hamilton, Ontario (Kanada)

Vertreter:

Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,

München 22, Widenmayerstr. 46

Als Erfinder benannt:

Frans Brouwer, Ancaster, Ontario (Kanada)

Beanspruchte Priorität:

Kanada vom 15. Dezember 1955 (Nr. 698 234)

förmig, so daß eine lineare Beziehung zwischen der Amplitude des Abnahmesignals und der gegenseitigen Längsverschiebung der beiden Wicklungen besteht, die z. B. zur automatischen Steuerung einer Werkzeugmaschine verwendet werden kann.

Vorzugsweise besteht mindestens eine der Wicklungen aus einer zweidrähtig als doppelgängige Schraube gewickelte Leiterschleife, so daß die Stromrichtung der Windungen längs der Achse abwechselt.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sie durch äußere Felder nicht beeinflußt wird. Der letztere Vorteil macht sich noch stärker bemerkbar, wenn die eine Leiterschleife bifilar gewickelt ist, d. h. aus einzelnen Windungen zweier eng benachbarter, gegensinnig vom Strom durchflossener Drähte besteht.

Vorzugsweise übertrifft die Länge des einen zylindrischen Gliedes diejenige des anderen zylindrischen Gliedes um ein Mehrfaches. Die beiden zylindrischen Glieder können relativ zueinander um ihre Achse drehbar sein, so daß das Ausmaß der Rückdrehung bis zum Auftreten eines Extremwertes an der Abnahmewicklung als Maß für die entsprechende Längsverschiebung verwendbar ist. Bekanntlich ist eine solche Winkelverstellung wesentlich genauer meßbar als eine entsprechende Längsverschiebung.

Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Wandlers in einer elektromechani-

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sehen Stellvorrichtung kann so vorgegangen werden, daß die zylindrischen Glieder so lange gegeneinander verstellt werden, bis das von der Abnahmewicklung abgegebene Signal einen Extremwert erreicht hat. Zur Grobeinstellung kann die Anzahl der auftretenden Extremwerte während der Längsverschiebung von einem Bezugspunkt aus dienen. Wegen der erwähnten Linearität kann zur Feineinstellung die dann noch vorhandene Spannung an der Abnahmewicklung ohne weiteres herangezogen werden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Hierin sind

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Wandlers zur Messung von Verschiebungen zur Erläuterung des Erfindungsprinzips,

F i g. 2 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wandlers in seiner einfachsten Form, _ F i g. 3 das Blockschaltbild einer elektromechanischen Stellvorrichtung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Wandlers,

F i g. 4 das Schaltbild einer Einzelheit der Anordnung nach F i g. 3,

F i g. 5 die schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 6 die Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform, bei der die eine Leiterschleife bifilar gewickelt ist.

Fig. 1 zeigt im Schnitt eine Reihe von Leitern, die auf einem isolierten Träger 2 angebracht sind. Durch die übliche Markierung ist angedeutet, daß es sich um stromführende Leiter mit abwechselnden Stromflußrichtungen handelt. Dem Träger 2 steht ein Träger 3 gegenüber, an dem eine weitere Reihe von Leitern 4 angebracht ist, die nachstehend als Abnahmeleiter bezeichnet werden. Bei der in F i g. 1 dargestellten Stellung der Abnahmeleiter 4 besteht keine gegenseitige Kopplung zwischen diesen und den stromführenden Leitern. Wenn jedoch die Reihe der Abnahmeleiter seitwärts bewegt wird, so tritt eine gegenseitige Kopplung zwischen ihnen und den stromführenden-Leitern auf. Bei Reihenschaltung der stromführenden Leiter und der Abnahmeleiter und bei Speisung der stromführenden Leiter mit Wechselstrom wird in den Abnahmeleitern 4 ein Strom induziert, dessen Stärke von der relativen Stellung der Abnahmeleiter zu den stromführenden Leitern abhängt. Der induzierte Strom erreicht sein Maximum, sobald die Abnahmeleiter den stromführenden Leitern gegenüberstehen. In der dargestellten Lage hat dagegen die induzierte Stromstärke ihr Minimum bzw. geht durch Null. Anschließend tritt dann ein zweites Maximum von entgegengesetzter Phase auf, wenn die Leiter sich wiederum gegenüberstehen. Bei einer Weiterbewegung des Trägers 3 ergibt sich eine Reihe von Null- und Maximalwerten, und die Grobstellung kann durch die Zahl der Maxima, welche der Abnahmestrom durchlaufen hat, bestimmt werden. Die Feinmessung kann mittels des Stromstärkeverlaufes in der Abnahmewicklung erfolgen.

Die Meßgenauigkeit eines derartigen bekannten Wandlers hängt von der Genauigkeit der Anordnung der verschiedenen Leiter ab. Auch bei Anwendung der Technik der gedruckten Schaltungen ist eine hohe Genauigkeit erforderlich. Die Genauigkeit der Feineinstellung hängt ferner von der Linearität des Stromverlaufs in der Abnahmewicklung ab. Der Kurvenverlauf kann sich von Punkt zu Punkt auf dem Wandler ändern, wenn irgendwo ein Fehler in der Leiteranordnung vorhanden ist.

Diesen Nachteilen hilft die erfindungsgemäße An-5 Ordnung nach F i g. 2 ab. Hier sind die stromführenden Leiter als schraubenförmige Primärwicklung ausgebildet, die auf einem zylindrischen Träger 15 angeordnet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Primärwicklung als doppelgängige Schraube auso gebildet, d. h., ausgehend vom Anschluß 16 läuft eine Schraubenwicklung vorwärts bis zum Ende des Trägers 15 am Punkt 17 und in einer zweiten Schraube mit gleicher Steigung wieder rückwärts bis zum Anschluß 18. Ein Schnitt der beiden Schraubenwicklungen parallel zur Achse würde also identisch mit dem Schnitt der stromführenden Leiter nach Fig. 1 sein. Die Stromrichtung der Windungen längs der Achse wechselt regelmäßig ab.

Die Abnahmeleiter sind ebenfalls als doppelgängige Schraube ausgebildet, die als Primärwicklung auf einem rohrförmigen Träger 19 angebracht ist. Die eine Schraubenwicklung beginnt beim Anschluß 20 und endet beim Anschluß 21, während die andere Schraubenwicklung beim Anschluß 22 beginnt und bei 23 endet. Das Abnahmeglied 19 ist im Schnitt dargestellt.

Wenn ein Wechselstrom an die Anschlüsse 18 und 16 angelegt wird, so wird eine entsprechende Spannung in der Wicklung 20, 21 in Abhängigkeit von der relativen Stellung der Abnahmespule und der stromführenden Leiter erzeugt, wie oben erläutert wurde. Eine ähnliche Spannung wird auch zwischen den Anschlüssen 22 und 23 auftreten. Durch Reihenschaltung der beiden Wicklungen oder auch durch Ver-Wendung jeder Wicklung unabhängig kann das auftretende Potential zur Bestimmung der Stellung des Abnahmeelementes in bezug zu den stromführenden Leitern verwendet werden. Wird z. B. das Abnahmeglied so weit verschoben, daß der Punkt A mit Punkt A' zur Deckung kommt, so ändert sich die induzierte Spannung in der Abnahmewicklung von einem Minimum über ein Maximum wieder zu einem Minimum.

Es sei nun angenommen, daß die Abnahmewicklung nicht verschoben wird, sondern um ihre Achse X-X gedreht wird. Die Wirkung einer solchen Drehung um 180° würde nun genau einer Verschiebung der Abnahmewicklung von A bis A' entsprechen. Wenn die Steigung der Wicklungen der stromführenden Leiterschleife bekannt ist, so kann die Welle, welche den Träger 15 bildet, in linearen Verschiebungen sowie in Graden geeicht werden, und A wird eine bestimmte lineare Stellung in bezug zur stromführenden Wicklung haben, wenn der Abnahmestrom gleich Null ist. Es besteht natürlich eine Mehrdeutigkeit infolge des periodischen Nulldurchgangs, aber diese kann mittels einer Grobmeßeinrichtung, welche die ungefähre Stellung der Abnahmewicklung angibt, ausgeschaltet werden.

6c In F i g. 3 ist eine elektromechanische Stellvorrichtung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Wandlers dargestellt. Die stromführenden Wicklungen des Wandlers und ihr Träger sind mit 30 bezeichnet. Der Teil 30 ist in Axialrichtung unverschieblich, aber frei um seine Achse drehbar. Zu diesem Zweck wird der Wechselstrom der Wicklung 30 über Schleifringe 31 von der Stromquelle 32 zugeführt. Eine am Träger 31 angebrachte Skala ist in Längeneinheiten

geeicht. Die Abnahmewicklung 33 befindet sich auf einem Support, beispielsweise einer Zahnstange 34, die vom Zahnrad 35 angetrieben wird. Das Zahnrad 35 sitzt auf der Welle eines Stellmotors 36. Mit dem Stellmotor 36 ist auch eine Meßvorrichtung 37 für die Grobverschiebung verbunden. Die Steuerspannung für den Stellmotor 36 wird von einem Verstärker 38 bezogen, dessen Eingangsspannung je nach der Stellung eines Schalters 40 von dem Abnahmeglied 33 oder einer Vergleichsvorrichtung 39 geliefert wird. Die Vergleichsvorrichtung 39 wird einerseits von der Grobmeßeinrichtung 37 und andererseits von einer Grobeinstellvorrichtung 41 gespeist.

Im Betrieb wird die Stellung des Abnahmegliedes durch die Betätigung der Grobstellvorrichtung 41 und der Feineinstellvorrichtung am Träger 30 bestimmt. Die am Grobsteller 41 eingestellte Spannung wird so lange über die Vergleichsvorrichtung 39, den Schalter 40 und den Verstärker 38 auf den Stellmotor 36 gegeben, bis die Meßvorrichtung 37 ein Signal liefert, das der Einstellung des Grobstellers entspricht. Wenn die Differenzspannung einen bestimmten Wert unterschreitet, so schaltet der Schalter 40 selbsttätig um, so daß das vom Abnahmeglied 33 herrührende Signal an Stelle des Signals aus dem Vergleicher 39 im Verstärker 38 zugeführt wird.

In F i g. 4 ist beispielsweise eine Ausführungsform des Schalters 40 dargestellt. Die Ausgangsspannung des Vergleichers 39 liegt am Anschluß 50 und beeinflußt das Relais 51 über einen Gleichrichter 53. Der Arbeitskontakt 54 des Relais ist ebenfalls mit dem Anschluß 50 verbunden. Der Ruhekontakt 55 ist an den Anschluß 56 für das Abtastelement 33 angeschlossen. Der Kontaktarm des Relais ist mit dem Anschluß 57 verbunden, der zum Verstärker 38 führt. Sobald das Signal aus dem Vergleicher 39 einen bestimmten Wert überschreitet, zieht die Wicklung 51 des Relais 52 den Kontaktarm an und verbindet so den Verstärker 38 mit dem Anschluß 50. Sinkt dagegen die Spannung am Anschluß 50 unter einen bestimmten Wert, so fällt das Relais ab und verbindet den Anschuß 56 mit dem Anschluß 57.

Das am Ausgang des Abnahmegliedes 33 auftretende Signal hängt von der Stellung dieses Gliedes in Beziehung zur Primärwicklung 30 ab. Wie erwähnt, hängen die axialen Stellungen, in welchen die Spannung Null auftritt, vom Drehwinkel der Primärwicklung 30 ab. Die Feineinstellung kann somit durch Einstellung des Feinstellers erreicht werden. Die Stellvorrichtung sucht die Abnahmespule auf eine Nullage zu zentrieren. Die Genauigkeit der Ausrichtung auf die Nullage hängt natürlich von der Präzision der Konstruktion ab. Wenn jedoch das Abnahmeglied mehr als eine vollständige Windung überdeckt, werden sich Abweichungen in den einzelnen spannungführenden Windungen bzw. Abnahmewindungen im Durchschnitt ausgleichen. Da die Einrichtung auf Nullstellung arbeitet, wird die Genauigkeit durch Frequenzoder Phasenänderungen im Speisestrom nicht beeinträchtigt. Es wurde gefunden, daß die gebräuchliche Wickeltechnik unter Verwendung von normalen Drahtstärken eine außerordentliche Genauigkeit ergibt. Beispielsweise ergibt eine Abnahmewicklung von 50 mm axialer Länge, gewickelt mit Draht vom Durchmesser 0,3 mm, zusammen mit einer Primärwicklung, die als doppelgängige Schraube aus Draht von 0,3 mm Durchmesser auf einem Zylinder von 25 mm Durchmesser gewickelt ist, bereits brauchbahre Fehlerspannungen für Längenänderungen von 0,00025 mm.

Eine größere Genauigkeit der Wicklung kann man noch erhalten, wenn Rillen in den Körper 15 eingeschnitten werden und der Draht in diese Rillen gewickelt wird.

Die Sekundärwicklung und die Primärwicklung brauchen nicht unbedingt als doppelgängige Schraube ausgeführt zu sein. Beispielsweise ist in F i g. 5 ein elektromechanischer Wandler dargestellt, bei dem nur die Primärwicklung 61 als doppelgängige Schraube ausgebildet ist. An die Primärseite des vorgeschalteten Transformators 60 wird ein Wechselstrom angelegt. Die Sekundärseite dieses Transformators ist über einer Mittelanzapfung mit Masse verbunden und speist die Primärwicklung 61, die, wie gesagt, eine doppelgängige Schraube darstellt. Eine einfache Sekundärwicklung 62 umgibt die Wicklung 61 und ist an einem Ende mit Masse verbunden. Am anderen Ende der Wicklung 62 ergibt sich am Anschluß 63 eine induzierte Spannung, die ein Maß für die Verschiebung der Wicklung 62 darstellt. Die Arbeitsweise dieser Einrichtung ist die gleiche wie oben beschrieben. Im allgemeinen ist jedoch die Ausführung mit zwei doppelgängigen Schrauben vorzuziehen, da bei dieser Wicklungsart keine Beeinflussung durch äußere Felder auftritt.

F i g. 6 zeigt eine weitere Abänderung für den Fall, daß eine schärfere Nullanzeige gewünscht wird. Auf dem Träger 65 sind wie in F i g. 1 bzw. 2 zwei stromführende Wicklungen mit entgegengesetzter Stromrichtung angebracht. Der Träger 66 weist dagegen eine bifilar gewickelte Abnahmewicklung auf. Es sind also je zwei Drähte eng nebeneinander angeordnet, wobei die Schraubensteigung erheblich größer als der Drahtabstand ist. Werden die zwei benachbarten Drähte über einen stromführenden Draht hinweg verschoben, so ergibt sich ein rasches Ansteigen der induzierten Spannung, eine rasche Phasenumkehr und ein rascher Abfall. Die Nullage ist infolgedessen sehr gut definiert. Diese Form, bei der keine sinusförmige Ausgangsspannung auftritt, ist nicht so brauchbar, wenn zwischen den Nullpunkten interpoliert werden soll. Sie ist jedoch vorteilhaft bei Verwendung in einer Schaltung nach F i g. 3, bei der nur die Maximal- bzw. Nulldurchgänge ausgewertet werden.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetischer Wandler zur Messung von Verschiebungen, bestehend aus einer Reihe wechselstromführender Leiter und einer Reihe von Abnahmeleitern, die jeweils in Serie geschaltet und derart gegeneinander verschiebbar sind, daß die in den Abnahmeleitern induzierte Stromstärke von deren Stellung hinsichtlich der stromführenden Leiter abhängt und ein Maximum erreicht, wenn die Abnahmeleiter den stromführenden Leitern unmittelbar gegenüberstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die stromführenden Leiter (2) und die Abnahmeleiter (4) als schraubenförmige Primär- und Sekundärwicklungen gleicher Steigung ausgebildet sind, die auf zwei koaxial angeordneten zylindrischen Gliedern (15,19) angeordnet sind.

2. Elektromagnetischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Wicklungen aus einer zweidrähtig als doppelgängige Schraube gewickelten Leiterschleife

(ζ. B. auf Glied 15 oder Wicklung 61) besteht, so daß die Stromrichtung der Windungen längs der Achse abwechselt.

3. Elektromagnetischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Leiterschleife (Glied 66) bifilar gewickelt ist.

4. Elektromagnetischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des einen zylindrischen Gliedes (30) diejenige des anderen zylindrischen Gliedes (33) um ein Mehrfaches übertrifft.

5. Elektromagnetischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zylindrischen Glieder relativ zueinander um ihre Achse drehbar sind, so daß das Ausmaß der Rückdrehung bis zum Auftreten eines Extremwertes an der Abnahmewicklung als Maß für die entsprechende Längsverschiebung verwendbar ist.

6. Elektromagnetischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung in einer elektromechanischen Stellvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Glieder so lange gegeneinander verstellt werden, bis das von der Abnahmewicklung abgegebene Signal einen Extremwert erreicht hat.

7. Elektromagnetischer Wandler nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Grobeinstellung die Anzahl der auftretenden Extremwerte während der Längsverschiebung von einem Bezugspunkt aus und zur Feineinstellung die dann noch vorhandene Spannung an der Abnahmewicklung dient.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 872643;
USA.-Patentschrift Nr. 2 650 352.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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