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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Meßumformer, der
zur Anzeige z. B. eines ferromagnetischen oder eines elektrisch leitenden Körpers
dient und aus einem ersten elektrischen Leiter, einer Wechselstromquelle, die einen
elektrischen Wechselstrom im genannten ersten Leiter erzeugt, und aus einem zweiten
elektrischen Leiter besteht, der in der Nähe des genannten ersten Leiters angeordnet
ist, und aus einem abtastenden Organ, das die im zweiten Leiter induzierte Spannung
abtastet.
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Bei verschiedenen Anzeige-, Steuer- und Regelungssystemen werden
einfache und milieubeständige Lagegeber mit gutem Auflösungsvermögen benötigt.
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Bekannte Lagegeber des Induktivtyps haben entweder ein schlechtes
Auflösungsvermögen oder sind zerbrechlich und teuer in der Herstellung, wenn die
Dimensionen des Gebers verkleinert werden, um ein gutes Auflösungsvermögen zu erhalten.
Elektromagnetische Indikatoren haben gegenüber photoelektrischen Indikatoren, die
an sich ein gutes Auflösungsvermögen haben, allgemein den Vorteil größerer Betriebssicherheit
und geringerer Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungseinilüssen.
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Bei mehreren bekannten induktiven Gebern (Feinwerktechnik [1958],
Juli, Heft 7. 62. Jahrgang, S. 227 bis 232, insbesondere Bild 1 und 2; USA.-Patentschrift
3.070 742; deutsche Patentschriften 1 023 945, 933 173) messen abtastende Organe
Fluß änderungen in Magnetkernen. Bei solchen Meßumformern ist das Auflösungsvermögen
durch die Kernabmessungen bestimmt. Da bei den bekannten Umformern die abtastende
Spule den Kern umschließt, ist eine gute Auflösung nur zu erreichen, wenn der Kern
sehr kleine Abmessungen erhält. Sehr kleine Abmessungen führen aber zu mechanischen
und elektrischen Schwierigkeiten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen
Meßumformer der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß unabhängig von der
Größe des Magnetkernes eine gute Auflösung erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der erste
Leiter als kurzgeschlossene Spule ausgebildet ist. und einen ferromagnetischen Kern
umgibt und daß der zweite Leiter als schmale Spule ausgebildet ist, die einen Teil
des ersten Leiters umschließt und parallel zu einem Teil der Oberfläche des Kernes
liegt.
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Hierdurch erreicht'man volle Freiheit in der Ausbildung des ersten
Leiters, da er nicht der Wechselstromquelle angepaßt zu werden braucht. Er kann
vorteilhaft aus einer einzigen Windung bestehen, der gleichzeitig eine gute mechanische
Festigkeit und kleine Abmessungen gegeben werden können, wo durch eine große Verbesserung
des Auslösungsvermögens im Verhältnis zu den bekannten Indikatoren erreicht wird.
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Sowohl der Kern als auch die durch den ersten Leiter gebildete Wicklung
wird vorteilhaft mit einem rechteckigen Querschnitt ausgeführt. Dadurch erreicht
man, daß der oder die anzuzeigenden Gegenstände, z. B. die Zähne eines Zahnrades,
sehr dicht eine der Seiten der Windung passieren können, wodurch die Empfindlichkeit
und das Auflösungsvermögen erhöht wird.
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Falls der erste Leiter aus einer einzigen kurzgeschlossenen Windung
besteht, gibt man vorteilhaft dem Teil des Leiters eine geringe Erstreckung in derj
Längsrichtung
des Kerns, der am nächsten dem anzuzeigenden Körper liegt, und den übrigen Teilen
des Leiters eine verhältnismäßig große Erstreckung in der Längsrichtung des Kerns.
Hierdurch erreicht man eine Verstärkung des Magnetflusses in der Nähe des erstgenannten
Teils des Leiters, was ein besseres Auflösungsvermögen und eine größere Empfindlichkeit
ergibt.
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Der zweite Leiter wird vorteilhaft als Einwindungsspule mit zwei
parallelen Seiten ausgeführt, die parallel zu der Seite des ersten Leiters liegen,
die der zweite Leiter umschließt. Man erreicht so eine einfache und robuste Konstruktion.
Da die genannten Seiten parallel zum ersten Leiter sind und dicht neben diesem angebracht
werden können und der zweite Leiter den Kern selbst nicht umschließt, erhält man
eine große Empfindlichkeit und gutes Auflösungsvermögen des Indikators.
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Um große Schnelligkeit und gutes Auflösungsvermögen des Meßumformers
zu erhalten, muß die Wechselstromquelle eine hohe Frequenz haben. Eine hochfrequente
Wechselstromquelle besteht vorteilhafterweise aus einem Oszillator, wobei dieser
entweder direkt an den ersten Leiter angeschlossen wird oder - wenn dieser eine
kurzgeschlossene Wicklung auf einem Transformatorkern ist - an eine auf dem -Kern
angebrachte zusätzliche Wicklung.
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Die im zweiten Leiter bei Gegenwart eines fremden Körpers induzierte
Spannung wird zweckmäßigerweise einem Gleichrichter für Demodulierung zugefährt.
Der Gleichrichter kann als phasenempundlicher Gleichrichter ausgeführt werden, dessen
Bezugsspannung aus der Spannung der Wechselstromquelle besteht. Dabei erreicht man,
daß der Meßumformer unempfindlich für alle störenden äußeren Felder mit einer anderen
Frequenz als der der Wechselstromquelle wird.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert. Es
zeigt Fig. 1 ein Beispiel der Ausbildung der beiden Leiter, Fig. 2 und 3 das Flußbild
beim Vorbeigang von Zähnen am Indikator,-Fig.4 ein Schaltschema für einen erfindungsgemäßen
Meßumformer.
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Fig. 1 zeigteineEinzelheiteines erfindungsgemäßen Meßumformers, nämlich
die Ausbildung der beiden Leiter. Um den Kern 1 herum, der z. B. ein Eisenpulverkern
sein kann und einen rechteckigen Querschnitt hat, bildet der erste, das Magnetfeld
erzeugende Leiter 2 eine kurzgeschlossene Windung. Die obere Seite des Eisenkerns
liegt am nächsten dem Körper, dessen Gegenwart angezeigt werden soll. Der Leiter
2 hat dort eine verhältnismäßig geringe Erstreckung in der Längsrichtung des Eisenkerns,
während er auf den übrigen Seiten (21) eine verhältnismäßig große Erstreckung in
derselben Richtung hat.
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Der Magnetfluß auf der Oberseite des Kerns wird hierdurch verstärkt.
Dieser Effekt kann weiter dadurch verstärkt werden, daß auf den drei genannten Seiten
die Kanten des Leiters 2 nach oben gebogen werden, wie in Fig. 2 (22 und 23) gezeigt
ist. Der Leiter 2 wirkt als Einwindungs-Sekundärwicklung einer von der Wechselstromquelle
gespeisten, in F i g. 1 nicht gezeigten Primärwicklung (52 in F i g. 4) auf dem
Eisenkern und wird also von einem im Leiter induzierten Wechselstrom durchflossen,
was einen Magnetfluß erzeugt.
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Der zweite Leiter 3 besteht aus dem Innenleiter 31 eines Koaxialkabels.
Der Leiter ist als Koppelschleife mit zwei geraden Seiten ausgebildet, die parallel
mit dem Leiter 2 auf der Oberseite des Kerns und zu beiden Seiten des Leiters angebracht
sind. Das freie Ende des Innenleiters ist mit dem Mantel 30 des Koaxialkabels elektrisch
verbunden.
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Wenn ein von der Wechselstromquelle erzeugter Magnetfluß den Kern
1. durchfließt, wird ein Wechselstrom in dem Leiter 2 induziert. Dieser Strom erzeugt
einen Magnetfluß, wobei die Feldlinien, wie in Fig. 2 gezeigt ist, in der Zeichenebene
liegen. Wenn keine anderen ferromagnetischen oder elektrisch leitenden Gegenstände
in der Nähe der Leiter sind, wird das Feldbild symmetrisch bezüglich einer Ebene
durch den Leiter 2 und winkelrecht zur Längsrichtung des Kerns. Die in den Seiten
32 und 33 des Leiters 3 induzierten Spannungen werden dann gleich groß und entgegengerichtet,
und die gesamte induzierte Spannung im Leiter 3 wird Null. Dieses ist auch der Fall,
wenn sich ein solcher Körper im Magnetfeld befindet, unter der Voraussetzung, daß
er symmetrisch im Hinblick auf die genannte Ebene durch den Leiter 2 liegt, was
bei dem in Fig. 2 gezeigten Zahnrad 4 mit den Zähnen 41 und 42 der Fall ist.
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Wenn der Körper unsymmetrisch hinsichtlich der genannten Ebene ist,
was in F i g. 3 der Fall ist, wird auch das Magnetfeld unsymmetrisch. Wenn der Körper
(Zahnrad 4) aus einem elektrisch leitenden Material ausgeführt ist, werden in diesem
Wirbelströme induziert, die das Feld beeinflussen und es unsymmetrisch machen. Wenn
der Gegenstand ferromagnetisch ist, ist seine relative magnetische Permeabilität
größer als 1, und das Magnetfeld wird unsymmetrisch. Wegen dieser Unsymmetrie weicht
die induzierte Spannung im Leiter 3 von Null ab, was also eine Anzeige dafür ist,
daß sich ein im Verhältnis zu einer zur Längsrichtung des Kerns winkelrechten Ebene
durch den Leiter 2 unsymmetrisch gelegener, ferromagnetischer oder elektrisch leitender
Gegenstand im Magnetfeld des Leiters 2 befindet.
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Die Längsseiten 32 und 33 des Leiters 3 können sehr nahe am Leiter
2 angeordnet werden, was ein großes Auflösungsvermögen des Indikators verursacht.
Ein so geringer Abstand zwischen den Seiten, wie 1 bis 2 mm, kann ohne weiteres
erreicht werden, ohne daß spezielle Herstellungsprobleme entstehen.
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Ein maximales Ausgangssignal wird erhalten, wenn der Abstand zwischen
den Längsseiten 32 und 33 etwa ein Drittel des Abstandes zwischen zwei Zähnen (41,
42) beträgt.
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Fig.4 zeigt ein elektrisches Schaltschema für einen Meßumformer nach
der Erfindung. Auf dem Eisenkern 1 ist die kurzgeschlossene Windung 2 angebracht
und an dieser die durch den Innenleiter 31 des Koaxialkabels 30, 31 gebildete Schleife
3. Die Wechselstromquelle 5 besteht aus einem an und für sich bekannten einfachen
Transistoroszillator. Der Kern 1 wird über die Leitung 52 vom Oszillator gespeist
und gehört zum frequenzbestimmenden Kreis des Oszillators, der auch den Kondensator
53 enthält.
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Auf dem Kern befindet sich auch die Rückkopplungswicklung 54, die
an der Basis des Transistors 51 angeschlossen ist. Die Widerstände 55, 56, 57 geben
dem Transistor zweckmäßige Vorspannungen, und der Oszillator wird von der Gleichspannungsquelle
58 gespeist. Die Oszillatorfrequenz kann z. B. von der Größenordnung 1 MHz sein.
Die im Leiter 3 in-
duzierte Spannung wird über den Verstärker 6 einem Gleichrichter
7 zugeführt, der aus den Dioden 71 bis 74 besteht. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters
wird über ein Niederpaßfilter 8 dem Zähler 9 zugeführt. Das Niederpaßfilter, das
schematisch als aus einem Widerstand 81 und dem Kondensator 83 bestehend gezeigt
ist, filtert die hochfrequente Komponente der Ausgangsspannung des Gleichrichters
weg.
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Bei Rotation des in Fig. 2 und 3 gezeigten Zahnrades 4 erhält man
vom Filter zwei Impulse für jeden Zahn, der den Indikator passiert, und diese Impulse
werden vom Zähler 9 gezählt. Die Anzahl der gezählten Impulse ist also ein Maß des
Drehwinkels des Zahnrades.
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Die Wechselstromquelle 5 sowie das aus dem Verstärker 6, Gleichrichter
7, Filter 8 und Zähler 9 bestehende abtastende Organ können auch in anderer Weise
als in der in F i g. 4 gezeigten ausgeführt werden. Die in der Figur gezeigte Form
des Eisenkerns und der beiden Leiter ist auch nur ein Beispiel, viele andere Ausführungsformen
sind im Rahmen der Erfindung möglich.
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Ein Beispiel eines Anwendungsgebietes des erfindungsgemäßen Meßumformers
ist der Fall, in dem zwei von je einem Motor angetriebene Wellen synchron zum Rotieren
gebracht werden sollen, was bei Sektionsbetrieb von Papiermaschinen der Fall ist.
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Auf den Wellen werden Zahnräder, z.B. aus Aluminium, mit einer zweckmäßigen
Anzahl von Zähnen und an den Zähnen jedes Zahnrades ein erfindungsgemäßer Umformer
angebracht.
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Die Ausgangssignale jedes Umformers werden dem einen Eingang eines
mit zwei Eingängen versehenen Zählers zugeführt. Dem anderen Eingang jedes Zählers
wird eine Bezugsimpulsreihe zugeführt. Das Verhältnis zwischen den Bezugsimpulsfrequenzen
der beiden Zähler kann einstellbar sein. Die Zähler subtrahieren die vom Meßumformer
erhaltene Impulsanzahl von der dem anderen Eingang zugeführten Bezugsimpulsanzahl.
Der Inhalt des Zählers wird also proportional dem Fehler im Drehwinkel der entsprechenden
Welle und kann als Fehlersignal in einem System für die Regelung der Rotation der
Welle verwendet werden.
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Wenn man die Zahnräder mit einer verschiedenen Anzahl von Zähnen
ausführt, können bei nominellen Bedingungen praktisch gleiche Impulsfrequenzen von
den verschiedenen Gebern erhalten werden. Wenn die Zahnräder etwa 100 Zähne haben,
kann also durch einfachen Austausch eines Zahnrades mit n Zähnen gegen ein anderes
mit (n +1) Zähnen die Impulsfrequenz bei nominellen Bedingungen in Schritten von
etwa 1 0/o eingestellt werden, was einen einfachen Aufbau der Elektronik für die
Erzeugung von Bezugsimpulsreihen ermöglicht. Feineinstellung kann durch Einstellung
der Frequenzen der Bezugsimpulsreihen erhalten werden.
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Der erfindungsgemäße Meßumformer hat wesentliche Vorteile gegenüber
bekannten Anordnungen.
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Er ist einfach und robust, hat ein gutes Auflösungsvermögen und ist
verhältnismäßig billig in der Herstellung. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Amplitude
des Ausgangssignals des Indikators unabhängig von der Geschwindigkeit ist, mit welcher
der angezeigte Gegenstand sich am Indikator vorbeibewegt, so daß er auch bei geringen
Geschwindigkeiten und bei Stillstand funktioniert. Die Milieubeständigkeit kann
durch Eingießen wenigstens des Kerns und der Leiter
in ein zweckmäßiges
Material weiter verbessert werden.