DE1265624B

DE1265624B - Position encoder with a transformer with variable coupling

Info

Publication number: DE1265624B
Application number: DE1965C0037002
Authority: DE
Inventors: Gary Leroy Collins
Original assignee: COLLINS CORP GL; G L COLLINS CORP
Current assignee: COLLINS CORP GL; G L COLLINS CORP
Priority date: 1965-09-29
Filing date: 1965-09-29
Publication date: 1968-04-04

Description

Positionsgeber mit einem Transformator mit veränderlicher Kopplung Die Erfindung betrifft einen Positionsgeber mit einem Transformator mit veränderlicher Kopplung, dessen Primärwicklung von einer Wechselspannung gespeist ist und dessen Sekundärwicklungen Ausgangsspannungen entnehmbar sind, deren Amplituden von der Relativstellung eines beweglichen Kernes gegenüber den Wicklungen abhängen.Position encoder with a transformer with variable coupling The invention relates to a position sensor with a transformer with variable Coupling whose primary winding is fed by an alternating voltage and whose Secondary windings output voltages can be taken, the amplitudes of which of the Relative position of a movable core with respect to the windings depend.

Derartige Positionsgeber sind bereits bekannt. Sie bestehen normalerweise aus einer Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen, die durch einen beweglichen Kern aus hochpermeablem Material miteinander gekoppelt sind. Die Primärwicklung wird durch eine Wechselspannung gespeist, so daß je nach der Stellung des Kernes gegenüber den beiden Sekundärwicklungen in diesen gleiche oder voneinander abweichende Spannungen erzeugt werden, die ein Maß für die Stellung des Kernes im Transformator sind. Die Ausgangssignale können über längere Leitungen fernübertragen werden, und die Speisung der Primärwicklung erfolgt ebenfalls über entsprechende Speiseleitungen.Such position sensors are already known. They usually exist from a primary winding and two secondary windings through a movable one Core made of highly permeable material are coupled together. The primary winding is fed by an alternating voltage, so that depending on the position of the core compared to the two secondary windings in these same or different from each other Voltages are generated which are a measure of the position of the core in the transformer are. The output signals can be transmitted remotely over longer cables, and the primary winding is also fed via corresponding feed lines.

Diese Fernspeisung der Primärwicklung des Positionsgeber-Transformators hat jedoch den Nachteil, daß die Speiseleitungen gegenüber den Signalleitungen, die an die Sekundärwicklungen angeschlossen sind, abgeschirmt werden müssen, um eine Verfälschung der Meßergebnisse zu vermeiden. Außerdem bedeutet der doppelte Leitungsaufwand hohe Kosten.This remote feeding of the primary winding of the position encoder transformer has the disadvantage, however, that the feed lines compared to the signal lines, connected to the secondary windings must be shielded in order to to avoid falsification of the measurement results. Besides, the means double Line effort high costs.

Es ist bereits bekannt (USA.-Patentschrift 2 932 817), einen Transformator mit veränderlicher Kopplung und einen elektronischen Schwingungserzeuger zur Speisung der Primärwicklung des Transformators in einer Baueinheit unterzubringen und die Stromversorgung des Schwingungserzeugers, d. h. eine Gleichspannung über Leitungen zuzuführen. Diese bekannte Einrichtung arbeitet als Meßwandler, bei dem eine Kraft in einen proportionalen Ausgangsstrom umgewandelt wird. Sie arbeitet nach dem Prinzip eines Servosystems und enthält aus diesem Grund eine Vielzahl von zusätzlichen Bauelementen. Eine Miniaturisierung dieses Meßwandlers ist deshalb sehr schwer möglich und wahrscheinlich auch nicht beabsichtigt. Der Platzbedarf für die verschiedenen Bauelemente dieses bekannten Meßwandlers wird dadurch noch vergrößert, daß der als Sperrschwinger aufgebaute Schwingungserzeuger einen Rückkopplungstransformator enthält, der gleichzeitig die Schwingungsfrequenz bestimmt. Zusätzlich ist noch der Transformator mit veränderlicher Kopplung vorgesehen, dessen Primärwicklung an den Rückkopplungstransformator des Oszillators angeschlossen ist. Es sind also zwei verhältnismäßig große Bauelemente erforderlich, die außerdem noch gegeneinander abgeschirmt werden müssen.It is already known (U.S. Patent 2,932,817) a transformer with variable coupling and an electronic vibration generator for supply to accommodate the primary winding of the transformer in one unit and the Power supply of the vibration generator, d. H. a DC voltage over lines to feed. This known device works as a transducer in which a force is converted into a proportional output current. She works on the principle a servo system and for this reason contains a large number of additional components. A miniaturization of this transducer is therefore very difficult and probable also not intended. The space required for the various components of this known transducer is increased by the fact that it is constructed as a blocking oscillator Vibration generator contains a feedback transformer, which at the same time the Oscillation frequency determined. In addition, the transformer is also variable Coupling provided, the primary winding of which is connected to the feedback transformer of the Oscillator is connected. So there are two relatively large components required, which must also be shielded from each other.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positionsgeber mit einem Transformator mit veränderlicher Kopplung zu schaffen, der eine minimale Anzahl von Bauelementen benötigt und sich daher auf kleinstem Raum unterbringen läßt. Er soll gleichzeitig die zur Speisung der Primärwicklung des Transformators erforderliche Wechselspannung erzeugen, so daß Wechselspannungs-Speiseleitungen entfallen können.The invention is based on the object of having a position sensor to create a transformer with variable coupling that has a minimal number of components and can therefore be accommodated in the smallest of spaces. He should at the same time be the one required to feed the primary winding of the transformer Generate alternating voltage so that alternating voltage supply lines can be dispensed with.

Ein Positionsgeber mit einem Transformator mit veränderlicher Kopplung, dessen Primärwicklung von einer Wechselspannung gespeist ist und dessen Sekundärwicklungen Ausgangsspannungen entnehmbar sind, deren Amplituden von der Relativstellung eines beweglichen Kernes gegenüber den Wicklungen abhängen und bei dem der Transformator mit veränderlicher Kopplung mit einem elektronischen Schwingungserzeuger eine Baueinheit bildet, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung des Transformators als einzige frequenzbestimmende Induktivität in den Ausgangskreis des Schwingungserzeugers eingefügt ist.A position encoder with a transformer with variable coupling, whose primary winding is fed by an alternating voltage and its secondary windings Output voltages can be taken whose amplitudes depend on the relative position of a movable core relative to the windings depend and where the transformer with variable coupling with an electronic vibration generator, a structural unit forms, is characterized according to the invention in that the primary winding of the Transformer as the only frequency-determining inductance in the output circuit of the vibrator is inserted.

Diese Lösung hat den erheblichen Vorteil, daß nur ein verhältnismäßig großes Bauteil vorgesehen ist, nämlich der Transformator mit veränderlicher Kopplung, der gleichzeitig als frequenzabstimmende Induktivität des Schwingungserzeugers ausgenutzt wird. Alle übrigen Bauelemente lassen sich auf sehr geringem Raum unterbringen, so daß der gesamte Positionsgeber kaum größer als der Transformator mit veränderlicher Kopplung ist.This solution has the significant advantage that only a relatively large component is provided, namely the transformer with variable coupling, which is also used as a frequency-matching inductance of the vibration generator will. All other components can be accommodated in a very small space, so that the entire position encoder hardly bigger than the transformer with variable coupling.

Ein besonders kompakter Aufbau des erfindungsgemäßen Gebers läßt sich dann erreichen, wenn der Spulenkörper des Transformators über die in sich abgeschirmten Teile des Transformators hinaus verlängert ist und die Bauelemente des Schwingungserzeugers aufnimmt. Vorzugsweise sind die Bauelemente des Schwingungserzeugers im verlängerten Teil des Spulenkörpers in eine Einbettungsmasse eingebettet. Hierdurch ist größtmöglicher Schutz gegen Erschütterungen und Feuchtigkeit gewährleistet.A particularly compact structure of the encoder according to the invention can be then achieve when the bobbin of the transformer is over the shielded itself Parts of the transformer are also extended and the components of the vibration generator records. The components of the vibration generator are preferably extended Part of the bobbin embedded in an embedding compound. This is the greatest possible Protection against vibrations and moisture guaranteed.

Da die Primärwicklung des Transformators mit veränderlicher Kopplung gleichzeitig das frequenzbestimmende Element des Schwingungserzeugers ist, ist es von größtem Vorteil, wenn sich die Induktivität der Primärwicklung beim Verschieben des Kernes nicht oder kaum ändert. Um dies zu erreichen, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Primärwicklung des Transformators über den gesamten Bewegungsbereich des beweglichen Kernes angeordnet. Um bei diesem Aufbau eine möglichst lineare Abhängigkeit der in den Sekundärwicklungen erzeugten Ausgangsspannungen von der Stellung des Kernes zu erreichen, ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Sekundärwicklungen von der Mitte der Primärwicklung aus mit stetig steigender Wicklungsdichte nach beiden Seiten etwa über die gesamte Länge der Primärwicklung erstrecken.As the primary winding of the transformer with variable coupling is at the same time the frequency-determining element of the vibration generator, it is of greatest advantage if the inductance of the primary winding changes when moving of the core does not change or hardly changes. To achieve this, according to another Embodiment of the invention the primary winding of the transformer over the entire Arranged movement range of the movable core. In order to achieve a possible linear dependence of the output voltages generated in the secondary windings to achieve from the position of the core is a further advantageous embodiment characterized in that the two secondary windings from the center of the Primary winding off with steadily increasing winding density on both sides for example Extend over the entire length of the primary winding.

Um den Raumbedarf des elektronischen Schwingungserzeugers besonders gering zu halten und um einen großen Wirkungsgrad des Schwingungserzeugers zu erreichen, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der Schwingungserzeuger ein Gegentaktsperrschwinger mit zwei über Kreuz rückgekoppelten Transistoren, wobei die Primärwicklung eine Mittelanzapfung hat und in die Kollektorstromkreise der beiden Transistoren eingeschaltet ist. Gegentaktsperrschwinger-Schaltungen mit Transistoren sind bereits bekannt (deutsche Auslegeschrift 1149 064). Es war jedoch noch nicht bekannt, derartige Gegentaktsperrschwinger-Schaltungen derart mit einem Positionsgeber zu kombinieren, daß nur ein Transformator mit veränderlicher Kopplung gleichzeitig als frequenzbestimmendes Element dient.In order to keep the space requirement of the electronic vibration generator particularly small and to achieve a high degree of efficiency of the vibration generator, according to a further advantageous embodiment of the invention, the vibration generator is a push-pull blocking oscillator with two cross-coupled transistors, the primary winding having a center tap and being connected to the collector circuits both transistors is switched on. Push-pull blocking oscillator circuits with transistors are already known (German Auslegeschrift 1 149 064). However, it was not yet known to combine such push-pull blocking oscillator circuits with a position sensor in such a way that only one transformer with variable coupling simultaneously serves as a frequency-determining element.

Damit das von der Stellung des Kernes abhängige Ausgangssignal des Transformators mit veränderlicher Kopplung über längere Leitungen weiterübertragen werden kann, werden gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Ausgangsspannungen der beiden Sekundärwicklungen je für sich gleichgerichtet und gegeneinander geschaltet. Auf diese Weise ist es möglich, das Ausgangssignal über nur zwei Leitungen über längere Entfernungen zu übertragen, ohne daß eine Beeinflussung durch Störfelder erfolgen kann. Ein besonders geringer Aufwand ergibt sich für diese Lösung, wenn die Ausgangsspannungen der beiden Sekundärwicklungen über je einen Brückengleichrichter gleichgerichtet und über je einen Vorwiderstand an einen gemeinsamen Ausgang gegeben werden, dem ein Glättungskondensator parallel geschaltet ist.So that the output signal of the Transmitter with variable coupling over longer lines can be, according to a further advantageous embodiment of the invention the output voltages of the two secondary windings each rectified individually and switched against each other. In this way it is possible to control the output signal can be transmitted over longer distances via just two lines without any interference can occur through interference fields. This results in a particularly low effort Solution if the output voltages of the two secondary windings each have one Bridge rectifier rectified and connected to a common one via a series resistor each Output can be given to which a smoothing capacitor is connected in parallel.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von verschiedenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 das Schaltbild des erfindungsgemäßen Positionsgebers und F i g. 2 und 3 zwei verschiedene räumliche Ausgestaltungen des Positionsgebers nach F i g. 1 im Schnitt.The invention is explained below on the basis of various exemplary embodiments explained in more detail. It shows F i g. 1 shows the circuit diagram of the position sensor according to the invention and F i g. 2 and 3 two different spatial configurations of the position transmitter according to FIG. 1 on average.

Der in F i g. 1 gezeigte Positionsgeber enthält einen elektronischen Schwingungserzeuger, der als Gegentaktsperrschwinger aufgebaut ist. Er besteht aus zwei Transistoren 10 und 11, deren Kollektoren an die beiden Enden einer mittelangezapften Primärwicklung 18 angeschlossen sind. Die Basen der beiden Transistoren 10 und 11 werden außerdem über Spannungsteilerwiderstände 12, 13, 14, 15, 17 vorgespannt. über die Widerstände 15 und 17 gelangen außerdem Rückkopplungssignale mit einer derartigen Phasenlage an die Basen der beiden Transistoren 10 und 11, daß die Schaltungsanordnung beim Anlegen einer Betriebsgleichspannung 20 schwingt. In diesem Schwingungszustand sind die Transistoren 10 und 11 abwechselnd leitend. Die Schwingfrequenz wird hierbei von der Induktivität der Primärwicklung 18 bestimmt.The in F i g. 1 contains an electronic vibration generator, which is constructed as a push-pull blocking oscillator. It consists of two transistors 10 and 11, the collectors of which are connected to the two ends of a center-tapped primary winding 18. The bases of the two transistors 10 and 11 are also biased via voltage divider resistors 12, 13, 14, 15, 17. Via the resistors 15 and 17, feedback signals with such a phase position also reach the bases of the two transistors 10 and 11 that the circuit arrangement oscillates when a DC operating voltage 20 is applied. In this oscillation state, the transistors 10 and 11 are alternately conductive. The oscillation frequency is determined by the inductance of the primary winding 18 .

Die Primärwicklung 18 ist auf einem Transformator 19 mit veränderlicher Kopplung angeordnet. Dieser Transformator 19 hat zwei Sekundärwicklungen 22 und 23, in die je nach der Stellung eines im Transformator 19 beweglichen Kernes 24 gleiche oder voneinander abweichende Spannungen induziert werden. Der Kern 24 wird von einem Teil 70, dessen Position angezeigt werden soll, in Richtung des Pfeiles 25 bewegt. Befindet sich der Kern 24 in der gezeigten Mittelstellung, so werden in den Sekundärwicklungen 22 und 23 gleiche Wechselspannungen erzeugt. Befindet sich der Kern 24 jedoch in einer oberen Stellung, so ist die in der Sekundärwicklung22 erzeugte Spannung größer als die der Sekundärwicklung 23. Der umgekehrte Fall liegt vor, wenn sich der Kern 24 in einer unteren Stellung befindet.The primary winding 18 is on a transformer 19 with variable Coupling arranged. This transformer 19 has two secondary windings 22 and 23, into which, depending on the position of a core 24 that is movable in the transformer 19 the same or different voltages are induced. The core 24 will of a part 70, the position of which is to be displayed, in the direction of the arrow 25 moves. If the core 24 is in the middle position shown, then in the secondary windings 22 and 23 generated the same alternating voltages. Located However, if the core 24 is in an upper position, then that is in the secondary winding 22 generated voltage greater than that of the secondary winding 23. The reverse is true before when the core 24 is in a down position.

Die Ausgangsspannungen der Sekundärwicklungen 22 und 23 werden je für sich durch je einen Vollweg-Brückengleichrichter 29 bzw. 32 gleichgerichtet. Der Brückengleichrichter 29 liefert an den Ausgangsklemmen 33, 38 positive Ausgangsspannung, während der Brückengleichrichter 32 an den Ausgangsklemmen 34, 41 negative Ausgangsspannung liefert. Die beiden Klemmen 38 und 41 der Brückengleichrichter sind über zwei einander gleiche Summierungswiderstände 39 bzw. 42 an einen gemeinsamen Ausgangspunkt 40 angeschlossen, der durch einen Belastungswiderstand 49 belastet ist. Die anderen Ausgangspunkte 33 und 34 der Brückengleichrichter sind gemeinsam mit dem gemeinsamen Ausgangspunkt 36 des Belastungswiderstandes 49 verbunden. Zusätzlich ist der Belastungswiderstand 49 noch durch einen Glättungskondensator 44 überbrückt.The output voltages of the secondary windings 22 and 23 are each rectified by a full-wave bridge rectifier 29 and 32, respectively. The bridge rectifier 29 supplies positive output voltage to the output terminals 33, 38, while the bridge rectifier 32 supplies negative output voltage to the output terminals 34, 41. The two terminals 38 and 41 of the bridge rectifiers are connected via two equal summing resistors 39 and 42, respectively, to a common starting point 40 which is loaded by a load resistor 49. The other starting points 33 and 34 of the bridge rectifiers are jointly connected to the common starting point 36 of the load resistor 49. In addition, the load resistor 49 is bridged by a smoothing capacitor 44.

Steht der Kern 24 in der Mitte, so daß in den Sekundärwicklungen 22 und 23 einander gleiche Wechselspannungen erzeugt werden, so sind auch die Gleichspannungen an den Punkten 38 und 41 gegenüber dem gemeinsamen Punkt 36 in der Größe gleich, jedoch von entgegengesetzter Polarität. Diese Potentiale an den Punkten 38 und 41 summieren sich über die Widerstände 39 und 42 zu dem Potential 0 am Punkt 40. Befindet sich der Kern 24 nun in der oberen Stellung, so überwiegt die positive Spannung am Punkt 38, so daß am Punkt 40 ein positives Ausgangssignal erscheint. Befindet sich der Kern 24 jedoch in der unteren Lage, so überwiegt die negative Spannung am Punkt 41, so daß sich am Ausgangspunkt 40 eine negative Ausgangsspannung ergibt. F i g. 2 zeigt nun in schematischer Weise einen möglichen Aufbau des erfindungsgemäßen Positionsgebers. Auf einem Wickelkörper 60 ist an erster Stelle die Primärwicklung 18 des Transformators 19 mit ihren beiden Wicklungshälften 9.8 B und 18 C untergebracht. Auf dieser Primärwicklung 18 sind dann die beiden Sekundärwicklungen 22 und 23 angeordnet, und zwar in der Weise, daß die Wicklungsdichte, von der Mitte ausgehend, nach außen hin zunimmt. Der Kern 24 ist in Längsrichtung kürzer als die Länge der Primärwicklung 18, so daß er sich bei einer Bewegung über einen begrenzten Bewegungsbereich immer innerhalb der Primärwicklung 18 befindet. Hierdurch bleibt die Induktivität der Primärwicklung 18 über den gesamten Bewegungsbereich des Kernes 24 im wesentlichen konstant.If the core 24 is in the middle, so that the same alternating voltages are generated in the secondary windings 22 and 23, the direct voltages at the points 38 and 41 are the same in size as compared to the common point 36, but of opposite polarity. These potentials at points 38 and 41 add up via resistors 39 and 42 to potential 0 at point 40. If core 24 is now in the upper position, the positive voltage at point 38 predominates, so that at point 40 there is a positive output signal appears. However, if the core 24 is in the lower position, the negative voltage predominates at point 41, so that a negative output voltage results at the starting point 40. F i g. 2 now shows a possible structure of the position transmitter according to the invention in a schematic manner. In the first place, the primary winding 18 of the transformer 19 with its two winding halves 9.8 B and 18 C is accommodated on a bobbin 60. The two secondary windings 22 and 23 are then arranged on this primary winding 18 in such a way that the winding density, starting from the center, increases towards the outside. The core 24 is shorter in the longitudinal direction than the length of the primary winding 18, so that it is always located within the primary winding 18 when moving over a limited range of motion. As a result, the inductance of the primary winding 18 remains essentially constant over the entire range of motion of the core 24.

Die Primärwicklung 18, der Kern 24 und die Sekundärwicklungen 22 und 23 sind von einer Abschirmung 66 umgeben. Außerdem ist der Wickelkörper 60 über den Bereich des Transformators 19 hinaus verlängert und trägt in einer Vergußmasse 69 verschiedene Bauelemente. Der Transformator 19 und die Vergußmasse 69 mit den Bauelementen sind außerdem durch ein gesamtes Gehäuse 68 abgedeckt. Durch die gezeichneten Bauelemente 71 soll angedeutet werden, daß in diesem dafür vorgesehenen Platz z. B. die gesamten Bauelemente der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 untergebracht sein können.The primary winding 18, the core 24 and the secondary windings 22 and 23 are surrounded by a shield 66. In addition, the bobbin 60 is over the area of the transformer 19 is extended and carries in a potting compound 69 different components. The transformer 19 and the potting compound 69 with the Components are also covered by an entire housing 68. Through the drawn Components 71 should be indicated that in this space provided for such. B. the entire components of the circuit arrangement according to F i g. 1 housed could be.

F i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar ist die Primärwicklung 18 gegenüber der nach F i g. 2 anders aufgebaut. An Stelle zweier, übereinanderliegender Wicklungshälften 18 B und 18 C sind die beiden Wicklungsteile 18 B und 18 C in der Anordnung nach F i g. 3 ineinander verschachtelt gewickelt. Auch in dieser Ausführungsform erstreckt sich die Primärwicklung 18 über eine solche Länge, daß der Kern 24 im gesamten Bewegungsbereich innerhalb der Primärwicklung bleibt.F i g. 3 shows another embodiment of the present invention, namely, the primary winding 18 is opposite to that according to FIG. 2 structured differently. Instead of two superimposed winding halves 18 B and 18 C are the two winding parts 18 B and 18 C in the arrangement according to FIG. 3 nested inside each other wrapped. In this embodiment too, the primary winding 18 extends over such a length that the core 24 in the entire range of motion within the primary winding remain.

Claims

Claims: 1. Position sensor with a transformer with variable Coupling whose primary winding is fed by an alternating voltage and whose Secondary windings output voltages can be taken, the amplitudes of which of the Relative position of a movable core with respect to the windings depend, and in which the transformer with variable coupling with an electronic vibrator forms a structural unit, characterized in that the primary winding (18) of the Transformer (19) as the only frequency-determining inductance in the output circuit of the vibration generator (10 to 15, 17) is inserted.

2. Encoder according to claim 1, characterized in that the bobbin (60) of the transformer (19) via the in shielded parts (18, 22, 23, 24) of the transformer (19) also extended and the components (71) of the vibrator receives.

3. Donor according to claim 2, characterized in that the components (71) of the vibration generator in extended part of the bobbin are embedded in an embedding compound (69).

4. Encoder according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the primary winding (18) of the transformer over the entire range of motion of the movable core (24) extends.

5. Encoder according to claim 4, characterized in that the two Secondary windings (22, 23) from the center of the primary winding (18) with steady increasing winding density on both sides over approximately the entire length of the primary winding extend.

6. Encoder according to one or more of the preceding claims, characterized characterized in that the vibration generator is a push-pull blocking oscillator with two cross-fed back transistors (10, 11) and that the primary winding (18) has a center tap (18 A) and into the collector circuits of the two Transistors (10, 11) is turned on.

7. Encoder according to one or more of the preceding claims, characterized in that the output voltages of the two secondary windings (22, 23) are each rectified and switched against each other. B. Transmitter according to Claim 7, characterized in that the output voltages of the two secondary windings (22, 23) are rectified via a bridge rectifier (29, 32) each and to a common output (36, 40) via a series resistor (39, 42) each. arrive, to which a smoothing capacitor is connected in parallel. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1 149 064; U.S. Patent No. 2,932,817.