DE1281694B

DE1281694B - Electromechanical measuring transducer for generating a variable mechanical measured variable as a function of a mechanical movement

Info

Publication number: DE1281694B
Application number: DE1962F0037458
Authority: DE
Inventors: John Ernest Fielden
Original assignee: Fielden Electronics Ltd
Current assignee: Fielden Electronics Ltd
Priority date: 1962-07-30
Filing date: 1962-07-30
Publication date: 1968-10-31

Description

Elektromechanischer Meßumformer zur Erzeugung einer variablen mechanischen Meßgröße in Abhängigkeit von einer mechanischen Bewegung Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Meßumformer, welcher eine variable elektrische Meßgröße in Abhängigkeit von mechanischen Bewegungen erzeugt.Electromechanical transducer for generating a variable mechanical Measured variable as a function of a mechanical movement The invention relates to an electromechanical transducer, which is a variable electrical measured variable generated as a function of mechanical movements.

Es ist ganz allgemein bekannt, verschiedenartige mechanische Bewegungen derart umzuwandeln, daß sie durch eine elektrische Meßgröße repräsentiert werden können. Eine einfache Möglichkeit besteht darin, die mechanische Bewegung besonders wenn es sich nur um sehr kleine Bewegungen handelt, zunächst auf mcchanischem Wege zu vergrößern, um sie dann auf ein Potentiometer derart einwirken zu lassen, daß die iiber dieses abfallende, meßbare Spannung proportional der Bewegung ist. Dieses Verfahren ist jedoch schon allein deshalb ungenau, weil die erforderlichen mechanischen Bewegungen und damit die Einstellung des Potentiometers eine nicht konstant bleibende mechanische Kraft erforderlich machen, um welche das Meßergebnis verfälscht wird. Außerdem muß für eine hinreichende Genauigkeit dieser Meßart eine stabilisierte Betriebsspannung gefordert werden. It is well known, various types of mechanical movements to convert in such a way that they are represented by an electrical measurand can. A simple way is to use mechanical movement in particular if only very small movements are involved, first mechanically to increase in order to then act on a potentiometer in such a way that the measurable voltage dropping over this is proportional to the movement. This However, the process is inaccurate simply because the required mechanical Movements and thus the setting of the potentiometer do not remain constant make mechanical force necessary by which the measurement result is falsified. In addition, a stabilized measurement type must be used for sufficient accuracy Operating voltage are required.

Ein weiteres bekanntes Verfahren verwendet einen Differentialtransformator, der als induktiver Geber dien. In diesem Zusammenhang soll Erwähnung finden, daß verschiedene induktive Geber möglich sind. Another known method uses a differential transformer, which serve as an inductive encoder. In this context it should be mentioned that different inductive encoders are possible.

Einmal gibt es Anordnungen, in denen eine einzige Induktivität in Form einer Einzel- oder Doppelspule beeinflußt wird. Die induktivität der Einzel- oder Doppelspulen wird entweder durch die Bewegung eines Ankers oder eines Teiles davon oder durch die Bewegung eines Tauchkernes realisiert. Bei den Doppelspulen sind die Wicklungen bekannterweise in Reihe geschaltet so daß sie als eine Induktivität anzusehen sind. Zum anderen sind Anordnungen mit zwei getrennten Induktivitäten in Form von Differentialspulen bekannt, die sich gegenseitig beeinflussen. Bei den Differentialspulen wird durch einen Anker der Luftspalt einer Spule verändert, was in einer besonderen Ausführongsform auch durch einen Queranker erreicht werden kann. Schließlich sind noch Anordnungen in Form des oben erwähnten Differentialtransformators bekannt, bei denen Gegen-Induktivitäten durch Bewegung des Eisenkernes beeinflußt werden, so daß damit eine entsprechende Umformung einer mechallischen in eine elektrische Größe erfolgen kann. Zur Messung der Induktivitätsänderungen ist es bekannt, sich Brückenschaltungen zu bedienen.On the one hand there are arrangements in which a single inductor is in Shape of a single or double coil is affected. The inductance of the individual or double coils is created either by the movement of an armature or a part realized therefrom or through the movement of a plunger core. With the double coils the windings are known to be connected in series so that they act as an inductor are to be seen. On the other hand, there are arrangements with two separate inductances known in the form of differential coils that influence each other. Both Differential coils is what changes the air gap of a coil by an armature can also be achieved in a special version by means of a transverse anchor. Finally, there are arrangements in the form of the differential transformer mentioned above known, in which counter-inductances influenced by movement of the iron core be, so that a corresponding transformation of a mechanical into an electrical Size can be made. To measure the changes in inductance, it is known to be Bridge circuits to operate.

Die bekannte Verwendung eines Differentialtransformators für die Meßwertumformung einer mechanischen in eine elektrische Größe hat insbesondere den Nachteil, daß die Meßgenauigkeit davon abhängt, mit welcher Genauigkeit die Primärwicklung konstant gehalten werden kann. Auch bei der Verwendung eines flußgeregelten Transformators für diesen Zweck besteht immer noch eine Schwierigkeit darin den Primärwiderstand schwankungsfrei zu halten. The known use of a differential transformer for the The conversion of measured values from a mechanical to an electrical variable has in particular the Disadvantage that the measurement accuracy depends on the accuracy with which the primary winding can be kept constant. Even when using a flux-regulated transformer for this purpose there is still a difficulty in the primary resistance to keep fluctuation-free.

Schließlich soll noch eine induktive Steuerung für sehr hohe Frequenzen Erwähnung finden, bei der die Steuervorrichtung eine als Oszillator betriebene Elektronenröhre enthält. Diese Röhre schwingt mit der Eigenfrequenz eines eingangsseitigen Schwingkreises. Finally, an inductive control system for very high frequencies should be used Mention is made in which the control device is an electron tube operated as an oscillator contains. This tube oscillates at the natural frequency of an oscillating circuit on the input side.

Der erzeugte, induktiv übertragene und durch einen Gleichrichter sowie durch einen Kondensator geglättete Hochfrequenzstrom wird über einen Kompensationswiderstand geleitet. Zwischen der im Gitterkreis liegenden Gitterkreiskopplungsspule und einer Anodenspule bewegt sich ein an der Achse eines Galvanometers befindlicher Aluminiumstreifen.The generated, inductively transmitted and through a rectifier as well High-frequency current smoothed by a capacitor is passed through a compensation resistor directed. Between the lattice circle coupling coil lying in the lattice circle and one Anode coil moves an aluminum strip located on the axis of a galvanometer.

Mittels dieses Streifens wird der erzeugte Riickkopplungsgrad entsprechend beeinflußt. Diese Anordnung ist jedoch für sehr hohe Frequenzen zu verwenden, und schon im mittleren Frequenzbereich weitgehend unbrauchbar.By means of this strip, the degree of feedback generated becomes corresponding influenced. However, this arrangement is to be used for very high frequencies, and largely unusable even in the medium frequency range.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile und Mängel von bekannten elektromechanischen Meßumformern zur Erzeugung einer elektrischen Meßgröße in Abhängigkeit von einer mechanischen Bewegung mit einem Verstärker zu beheben. The invention is based on the object, the disadvantages and shortcomings of known electromechanical transducers for generating an electrical Measured variable as a function of a mechanical movement with an amplifier remedy.

Insbesondere soll die zu messende elektrische Größe unabhängig von zufälligen Schwankungen der Versorgungsspannung sowie der Umgebungstemperatur und proportional der zu messenden mechanischen Bewegung sein.In particular, the electrical quantity to be measured should independent from random fluctuations in the supply voltage and the ambient temperature and be proportional to the mechanical movement to be measured.

Gemäß dieser Aufgabe besteht die Lösung für einen verbesserten elektromechanischen Meßumformer zur Erzeugung einer variablen elektrischen Meßgröße in Abhängigkeit von einer mechanischen Bewegung mit einem Verstärker, dessen Ausgangskreis die Primärwicklung eines Differentiaitransformators enthält, dessen Sekundärwicklungen auf den Eingang des Verstärkers rückgekoppelt sind, so daß die Schwingungen über die normale Reihenfolge der Bewegung des Eisenkerns des Transformators kommen, wobei der Eisenkern bewegbar in Übereinstimmung mit der messenden mechanischen Bewegung ist, darin, daß folgende Merkmale miteinander vereinigt werden: a) an die äußeren Enden der Reihenschaltung der beiden Sekundärwicklungen ist die Reihenschaltung aus zwei gegeneinandergeschalteten Begrenzdioden angeschlossen; b) an die äußeren Enden ist ferner jeweils eine Reihenschaltung aus einem Gleichrichter und einem Dämpfungswiderstand angeschlossen, deren gemeinsamer Verbindungspunkt mit der Spulenmitte der Sekundärwicklung verbunden ist. According to this object, there is the solution for an improved electromechanical Transmitter for generating a variable electrical measured variable as a function from a mechanical movement with an amplifier whose output circuit is the primary winding of a differential transformer, whose secondary windings on the input of the amplifier are fed back so that the oscillations go through the normal sequence the movement of the iron core of the transformer come, the iron core being movable is in accordance with the measuring mechanical movement, in that the following Features are combined with one another: a) at the outer ends of the series connection of the two secondary windings is the series connection of two against each other Limiting diodes connected; b) there is also a series circuit at the outer ends connected from a rectifier and a damping resistor, their common Connection point is connected to the coil center of the secondary winding.

Es ist für die Erfindung in weiterer Ausgestaltung von Bedeutung, daß die Verbindung von dem Eingang 8 des Verstärkers 1 zum Transformator3 zu einer oder mehreren Sekundärwicklungen 17 führt, welche mit den beiden Sekundärwicklungen 6, 7 ausschließlich induktiv gekoppelt sind. It is important for the invention in a further embodiment, that the connection from the input 8 of the amplifier 1 to the transformer 3 to a or several secondary windings 17 leads, which with the two secondary windings 6, 7 are exclusively inductively coupled.

Schließlich besteht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung darin, daß der Kondensator 4 entweder ausgangsseitig mit der Primärwicklung 2 oder eingangsseitig mit den Wicklungen 17, einen Schwingungskreis bildend, verbunden ist. Finally, a further embodiment of the invention consists in that the capacitor 4 either on the output side with the primary winding 2 or on the input side is connected to the windings 17, forming an oscillation circuit.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung eines Meßumformers ergeben sich eine Reihe von Vorteilen. Zufällige Schwankungen der Versorgungsspanne beeinflussen die Meßergebnisse nicht bzw. nur so viel, daß sie ohnehin in der Größenordnung des natürlichen Ablesefehlers liegen. Auch haben Temperaturschwankungen der Umgebung keinen Einfluß mehr auf das Meßergebnis. Dadurch, daß die Sekundärwicklungen in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nur induktiv miteinander verknüpft sind, sind ausgangsseitig Rückwicklungen, wie sie bei rein galvanischer Kopplung auftreten, ausgeschaltet. Die Verwendung von Begrenzungsdioden sichert die beständige, gegen Störungen unanfällige Arbeitsweise des Meßumformers. Resulting from the design of a transducer according to the invention a number of advantages. Affect random fluctuations in the supply margin the measurement results are not or only so much that they are in the order of magnitude of the anyway natural reading error. Also have temperature fluctuations in the area no more influence on the measurement result. Because the secondary windings in a preferred embodiment are only inductively linked to one another, are reverse windings on the output side, as occur with purely galvanic coupling, switched off. The use of limiting diodes ensures the constant, against Malfunctions, unsusceptible mode of operation of the transmitter.

Die Zeichnungen zeigen beispielsweise Ausführungsformen, und es bedeutet Fig. 1 ein schematisches Schaltbild mit Eingangsverstärker und Differentialtransformator und Fig. 2 ein abgewandeltes Schaltbild, bei dem die Sekundärwicklungen des Transformators induktiv mit weiteren Wicklungen verbunden sind. The drawings show exemplary embodiments, and it means Fig. 1 is a schematic circuit diagram with input amplifier and differential transformer and FIG. 2 shows a modified circuit diagram in which the secondary windings of the transformer are inductively connected to other windings.

Gemäß Fig. 1 ist an den Ausgang 5 eines Verstärkers 1 die Primärwicklung eines Transformators 3 angeschlossen, welche zusammen mit dem Kondensator 4 einen Schwingkreis bildet. Der Transformator 3 weist zwei Sekundärwicklungen 6, 7 auf, die gleichsinnig gewinkelt hintereinandergeschaltet, an den beiden Eingängen 8 des Verstärkers 1 liegen. Der Transformator 3 besitzt einen beweglichen Eisenkern9, der die Magnetfelder der Wicklungen2, 6 und 7 so miteinander koppelt, daß sich die Spannungen in den Sekundärwicklungen 6 bzw. 7 in entgegengesetztem Sinne und in Abhängigkeit von seiner Bewegung verändern. Die Anordnung ist so ausgelegt, daß in dem Schwingungskreis 2, 4 Schwingungen im normalen Bewegungsbereich des Eisenkernes 9 entstehen. According to FIG. 1, the primary winding is connected to the output 5 of an amplifier 1 a transformer 3 connected, which together with the capacitor 4 a Resonant circuit forms. The transformer 3 has two secondary windings 6, 7, which are angled one behind the other in the same direction the two inputs 8 of the Amplifier 1 lie. The transformer 3 has a movable iron core9, which couples the magnetic fields of windings 2, 6 and 7 with one another so that the Tensions in the secondary windings 6 and 7 in the opposite sense and in Change depending on its movement. The arrangement is designed so that in the oscillation circuit 2, 4 oscillations in the normal range of motion of the iron core 9 arise.

Mit den beiden äußeren Enden 10 und 11 der beiden in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen 6 und 7 ist ein Paar Zenerdioden als Begrenzungsdioden 12 verbunden, die miteinander in Gegenschaltung reihengeschaltet sind und daher so wirken, daß sie die Amplitude des in den beiden Sekundärwicklungen 6, 7 induzierten Total-5chwingungs-Potentiales begrenzen. Um die höchstmögliche Stabilität der Amplitude der über die Begrenzungsdioden 12 vor sich gehenden Schwingungen zu ermöglichen und gleichzeitig sicherzustellen, daß der durch die Begrenzungsdioden 12 fließende Spitzenstrom nicht das für sie zuverlässige Maß übersteigt, wird ihre Ausgangsimpedanz auf den möglichen Maximalwert eingestellt. Für diesen Zweck wird der Kopplungsfaktor zwischen den Primär- und den Sekundärwicklungen des Transformators 3 entsprechend vorgewählt. An die Enden jeder Sekundärwicklung 6 und 7 sind jeweils ein Gleichrichter 14 und ein Dämpfungswiderstand 13 angeschlossen, wobei die beiden Gleichrichter 14 so gepolt sind, daß die sich ergebende, an den Klemmen 16 auftretende Spannung gleich der Differenz der Spannungen ist, die an den Enden der beiden Dämpfungswiderstände 13 ansteht. With the two outer ends 10 and 11 of the two connected in series Secondary windings 6 and 7, a pair of Zener diodes is connected as limiting diodes 12, which are connected in series with one another in opposition and therefore act in such a way that it is the amplitude of the total oscillation potential induced in the two secondary windings 6, 7 limit. To ensure the highest possible stability of the amplitude of the limiting diodes 12 vibrations going on to enable and at the same time ensure, that the peak current flowing through the limiting diodes 12 is not what for them exceeds reliable level, its output impedance is set to the maximum possible value set. For this purpose the coupling factor between the primary and preselected according to the secondary windings of the transformer 3. To the ends each secondary winding 6 and 7 are each a rectifier 14 and a damping resistor 13 connected, the two rectifiers 14 are polarized so that the resulting voltage occurring at terminals 16 is equal to the difference between the voltages which is present at the ends of the two damping resistors 13.

Es soll zunächst angenommen werden, daß sich der Eisenkern 9 in einer solchen Stellung befindet, daß die magnetische Kopplung zwischen der Primärwicklung 2 und beispielsweise der sekundärwieklung 6 größer ist als die zwischen der Primärwicklung 2 und der Sekundärwicklung 7, wobei die über die beiden in Reihe geschalteten Dämpfungswiderstände 13 abfallende Gleichspannung eine bestimmte Höhe und Polarität aufweist. Bewegt man den Eisenkern 9 in einer solchen Richtung, daß der Unterschied der magnetischen Kopplungen zwischen der Primärwicklung und den beiden Sekundärwicklungen kleiner wird, dann sinkt die Größe dieser Gleichspannung ab. Eine weitere Bewegung des Eisenkerns 9 in gleicher Richtung führt schließlich dazu, daß die Gleichspannung Null wird, um dann im entgegengesetzten Sinne wieder anzusteigen. It should first be assumed that the iron core 9 is in a such a position is that the magnetic coupling between the primary winding 2 and, for example, the secondary weight 6 is greater than that between the primary winding 2 and the secondary winding 7, the two damping resistors connected in series 13 falling DC voltage has a certain level and polarity. Emotional the iron core 9 in such a direction that the difference in the magnetic Couplings between the primary winding and the two secondary windings are smaller then the magnitude of this DC voltage decreases. Another movement of the iron core 9 in the same direction finally leads to the DC voltage becoming zero, only to rise again in the opposite sense.

Der Transformator 3 ist vorzugsweise so eingerichtet, daß die an den Endpunkten der beiden Dämpfungswiderstände 13 entstehende Gleichspannung sich linear mit der Bewegung des Eisenkernes 9 verändert. The transformer 3 is preferably set up so that the on the end points of the two damping resistors 13 resulting DC voltage linearly changed with the movement of the iron core 9.

An Stelle der Dämpfungswiderstände 13 kann ein beliebig anderer Belastungsstromkreis verwendet werden. Auch können die Begrenzungsdioden 12 durch irgendwelche andere geeignete elektronische Bausteine ersetzt werden, die einen klar definierten Umkehrpunkt und eine angemessene Impedanzänderung in Abhängigkeit von der Amplitude aufweisen.Instead of the damping resistors 13, any other load circuit can be used be used. The limiting diodes 12 can also be any other suitable electronic components are replaced which have a clearly defined turning point and have a reasonable change in impedance as a function of the amplitude.

Der Kondensator 4 kann statt zu der Primärwicklung des Transformators 3 zu den beiden in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen 17 parallel geschaltet werden. The capacitor 4 can take place on the primary winding of the transformer 3 connected in parallel to the two series-connected secondary windings 17 will.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Sekundärwicklung 17 von den beiden Sekundärwicklungen 6 und 7 getrennt. Die Wicklung 17 kann aus einer einzigen Wicklung oder auch aus zwei Wicklungen bestehen. Die Wirkungsweise der Anordnung ist ähnlich der in Fig. 1 dargestellten, wobei durch die zusätzlichen Wicklungen 17 eine galvanische Kopplung des Ausgangssignals mit dem Verstärker vermieden wird. Eine solche Trennung ist besonders dann wünschenswert, wenn der Ausgang des Kreises an den Klemmen 16 zur Speisung eines weiteren Verstärkers benutzt wird, der von derselben Stromquelle versorgt wird, wie der Schwingungserzeuger. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist es - vorausgesetzt, daß die Gleichrichter 14 so geschaltet sind, daß die Differenz-Meßgröße an den Klemmen t6 abnehmbar ist - nicht unbedingt erforderlich, die Sekundärwicldungen 6 und 7 als sich unterstützende Serienschaltelemente zu schalten. In the embodiment shown in Fig. 2, the secondary winding is 17 of the two secondary windings 6 and 7 separately. The winding 17 can consist of a single winding or two windings. the Operation of the arrangement is similar to that shown in Fig. 1, with the additional windings 17 have a galvanic coupling of the output signal the amplifier is avoided. Such a separation is particularly desirable when the output of the circuit at terminals 16 to feed another amplifier is used, which is supplied by the same power source as the vibrator. In the embodiment of FIG. 2 it is - provided that the rectifier 14 are switched in such a way that the difference measured variable can be removed from terminals t6 - not absolutely necessary, the secondary windings 6 and 7 as supporting each other To switch series switching elements.

Claims

Claims: 1. Electromechanical transducer for generation a variable electrical measured variable as a function of a mechanical movement with an amplifier whose output circuit is the primary winding of a differential transformer contains, whose secondary windings are fed back to the input of the amplifier are so that the vibrations are beyond the normal sequence of movement of the iron core of the transformer come with the iron core movable in accordance with the measuring mechanical movement is characterized by the union of the following Characteristics: a) to the outer ends (10, 11) of the series connection of the two secondary windings (6, 7) is the series connection of two counter-connected limiter diodes (12) connected; b) there is also a series circuit at the outer ends (10, 11) from a rectifier (14) and a damping resistor (13) connected, the common connection point (15) with the coil center of the secondary winding (6, 7) connected is.

2. Transmitter according to claim 1, characterized in that the connection from the input (8) of the amplifier (1) to the transformer (3) to one or more Secondary windings (17) leads, which with the two secondary windings (6, 7) exclusively are inductively coupled.

3. Transmitter according to Claims 1 and 2, characterized in that that the capacitor (4) either on the output side with the primary winding (2) or connected on the input side to the windings (17), forming an oscillating circuit is.

Considered publications: Pflier, Gl. Measurement mech. Sizes (1948), pp. 68 to 72; Grave, G1. Measurement non-electr. Sizes (1962), pp. 23 to 25 and 63 to 70.