DE2747731C3 - Induktiver Differentialmeßtransformator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Differentialmeßtransformator zur Umformung mechanischer Verschiebungen in entsprechende elektrische Größen, der Primär- und Sekundärspulen mit aufeinanderfolgenden koaxial angeordneten offenen weichmagnetischen Übertragerkernen enthält, an deren Polen ein ferromagnetisches Überbrückungselement verschieblich angeordnet ist, das koaxial zur Spulenachse und außerhalb der Spulen selbst beweglich angeordnet ist, so daß die offenen Übertragerkerne bei Verschiebung des Überbrückungselements längs der Spulenachse überbrückt werden, wobei im Ausgangsstromkreis der Spulen die Lage des Körpers angezeigt wird.

Einen derartigen induktiven Differentialmeßtransformator, der als Meßfühler zur Umsetzung insbesondere linearer Bewegungen in elektrische Größen dient, beschreibt das DE-GM 17 99 45Z Dabei wird ein Übertragungselement in Gestalt eines dickwandigen E-förmigen Körpers aus nichtrnagnetischem Stahl verwendet, bei dem die beiden Außenschenkel der Ε-Form auf einem ortsfesten Teil gleitend aufliegen ucd an dem Mittelsteg der Ε-Form zwischen einem gezahnten Steg und dem die Spulen tragenden Steg des Überbrückungselements ein Spalt von etwa 1 mm besteht Eine solche Anordnung ist mit erheblichen Nachteilen behaftet: Die- große Wandstärke des Überbrückungselements aus nichtmagnetischem Stahl verringert die Feststellungsgenauigkeit der Lage des shuntartigen Überbrückungselements. Auch das hohe

Gewicht der bekannten Konstruktion ist nachteilig. -

Ein weiterer bekannter Meßfühler (US-PS 31 08 213) für einen verschiebbarer Körper hat Spulen mit einer Doppelwicklung, innerhalb deren sich ein magnetischer Kern verschiebt, und Kontaktstücke. Einer der Nachtei- Ie dieses Meßfühlers ist das Vorhandensein der Kontaktstücke, die sich als öffnende Gleitkontakte ausgeführt sind Das bedingt eine regelmäßige Überwachung und Wartung, was jedoch schwer realisierbar ist, weil diese Teile in einer gefährlichen Strahlungs- oder schwer zugänglichen Zone liegen. Ein anderer Nachteil dieses Meßfühlers ist eine Verringerung der Meßgenauigkeit bei größeren Verschiebungen und besonders in Endbereichen der Verschiebungen sowie bei größeren Verschiebungsgeschwindigkeiten wegen der Unmög lichkeit, eine gleichmäßige Verteilung des Magnetflus ses auf die gesamte Länge der Verschiebung zu erhalten. Diese Nachteile sind zwar in einem anderen bekannten Meßfühler (DE-PS 12 81 597) überwunden, der auf dem Verschiebungsweg des Steuerstabs gelegene Gasschalter und einen mit dem Steuerstab gekoppelten und sich in der Nähe der Gasschalter verschiebenden Dauermagneten enthält Die Kontakte der Gasschalter sind mit einem Inertgas gefüllten Hohlräumen untergebracht und bedürfen keiner War tung. Die Genauigkeit der Lagebestimmung des Steuerstabs eines derartigen Meßfühlers ist bei der gesamten Verschiebung gleich und hängt nicht von der Verschiebungsgeschwindigkeit ab. Nachteilig ist jedoch bei diesem Meßfühler das Vorhandensein eines Dauermagneten, weil dieser mit der Zeit seine magnetischen Kennlinien ändert, zumal in Reaktoren diese Änderungen unter radioaktiver Bestrahlung noch beträchtlicher sind, was eine erhebliche Verringerung der Genauigkeit des Meßfühlers bewirkt

Zur Beseitigung dieser Nachteile ist bei einem weiteren bekannten Meßfühler (FR-PS 21 69 437) eine Primärwicklung vorgesehen sowie eine Vielzahl von Paaren inner- oder außerhalb der Primärwicklung angeordneter Sekundärwicklungen und ein sich inner halb der Wicklungen verschiebendes magnetisches Bewegungselement in Form eines Stempels. Bei einer Verschiebung des Bewegungselements ändert sich die induktive Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung, und am Ausgang der Sekundärwick lungen erscheint ein Informationen über die Lage des Bewegungselements tragendes Signal. Die Primärwicklung und die Paare der Sekundärwicklungen liegen auf dem Wege der Verschiebung des Bewegungselements. Ein derartiger Meßfühler gestattet zwar eine höhere Genauigkeit der Lagebestimmung des verschiebbaren Körpers, die sich zeitlich nicht ändert, hat aber auch eine Reihe von Nachteilen: Es wird eine sehr hohe Anzahl von Sekundärwicklungen benötigt, die zur Erzielung

einer hohen Genauigkeit in einem geringen Abstand voneinander angeordnet sein müssen. Dadurch ist eine große Menge von teuren Werkstoffen (Kupfer, Isolierungen) erforderlich. Die Primärwicklung muß auf der gesamten Länge der Verschiebung des Bewegungselements liegen und die Herstellung der Wicklungen derartiger Länge ist schwierig. Außerdem erweist sich die Schaltung der Empfangseinrichtung wegen der großen Anzahl der Sekundärwicklungen als sehr kompliziert

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen induktiven Differentialmeßtransformator zu schaffen, der eine hohe Meßgenauigkeit im gesamten Verschiebungsbereich bei relativ einfachem Aufbau ergibt

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Maßnahmen vorgesehen.

Dadurch wird eine hohe Meßgenauigkeit im gesamten Verschiebungsbereich gewährleistet, die im wesentlichen durch die Maße der Löcher und d.e Abstände zwischen den Gruppen der Löcher bestimmt wird, wobei die erforderlichen Toleranzen bei einer mechanischen Bearbeitung verhältnismäßig einfach einzuhalten sind. Die Anzahl der Induktivitätsspulen ist verhältnismäßig gering, wodurch der Verbrauch an teuren Werkstoffen reduziert wird. Die geringe Anzahl der Wicklungen erlaubt es, eine einfache Meßeinrichtung in der Ausgangsschaltung des Meßfühlers vorzusehen. Bei dem erfindungsgemäßen Überbrückungselement nimmt dessen gesamte Oberfläche an der Informationsbildung teil. Durch die Verwendung von magnetischem Werkstoff für das Überbrückungselement wird eine wesentlich größere Stärke der Impulse erzielt. Schließlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch ein sehr geringes Gewicht aus, wobei trotz dieser Leichtbauweise der rohrförmige Körper des Überbrükkungselements eine große Stabilität erbringt. „

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen Schnitt durch den Meßfühler für einen linear verschiebbaren Körper,

F i g. 2 ein Überbrückungselement des Meßfühlers,

F i g. 3 ein Wicklungsschema der Induktivitätsspulen,

Fig.4 eine Induktivitätsspule mit zwei Polpaaren innerhalb des Überbrückungselements im vergrößerten Maßstab und

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Ausgangsspannung einer Induktivitätsspule mit zwei Polpaaren von der Verschiebung des Überbrükkungselements.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, enthält der erfindungsgemäße Meßfühler ein aus zwei gleichachsigen, im oberen Teil durch einen Steg verbundenen Rohren 2 und 3 sowie aus axial zueinander im inneren Rohr 3 in einem Abstand voneinander angeordneten Primär- urd Sekundärspulen 4—7 zusammengesetztes Gehäuse aus unmagnetischem Stahl und ein (auch in Fig. 2 dargestelltes) zwischen den Rohren 2 und 3 liegendes Überbrückungselement 8. Das Überbrückungselement 8 ist aus einem Magnetwerkstoff hergestellt und längs der Rohre 1 und 3 verschiebbar angeordnet. Das Überbrükkungselement 8 wird mit einem Körper gekoppelt, dessen Lage ermittelt werden soll.

Die Spulen 4—6 sind gleich ausgeführt und haben je einen offenen Magnetleiter mit je einem Polpaar 9-10, 11-12 bzw. 13-14 und je zwei Wicklungen: eine Primärwicklung 15, 16 bzw. 17 und eine Sekundärwicklune 18. 19 bzw. 20. Die Induktivitätsspulen 4, 5 und 6 werden in einem Abstand voneinender eingestellt und dienen zur Grobablesung der Lage des verschiebbaren Körpers. Der Abstand zwischen den Spulen 4,5 und 6 wird, ausgehend von der Genauigkeit der Lagebestim-

mung des sich verschiebenden Körpers, nach der Grobablesung eingestellt Die Anzahl der Spulen 4, 5 und 6 ist von der Länge der zu überwachenden Verschiebung abhängig. Zur genaueren Lagebestimmung dient die Spule 7.

Die (deutlicher in Fig. 1 gezeigte) Induktivitätsspule 7 hat einen offenen Magnetleiter mit zwei Polpaaren 21-22,23-24 und vier Wicklungen: zwei Primärwicklungen 25 und 26, zwei Sekundärwicklungen 27 und 28. Das Wicklungsschema ist in F i g. 3 genau gezeigt .

Die Primärwicklungen 15, 16, 17, 25, 26 liegen in Reihe und werden mit Wechselstrom gespeist

Die Sekundärwicklungen 27, 28 liegen in Gegenreihenschaltung (Differenz-Wicklungsschema).
Die Wicklungen 25, 26, 27, 28 können auch in Brückenschaltung liegen, die ein Ausgangssignal mit der doppelten Größe der Differenzschaltung sichert jedoch bei Temperaturschwankungen der Wicklungen eine wesentlich geringere Genauigkeit als bei Differenzschaltung ergibt, die von Temperaturschwankungen nicht beeinflußt wird. Das Differenz-Wicklungsschema wird daher dann bevorzugt, wenn Temperaturschwankungen möglich sind, wie sie in Kernreaktoren auftreten.
Das Überbrückungselement nach Fig.2 ist als ein Rohr ausgeführt, auf dessen gesamter Länge Gruppen von Löchern 33 vorgesehen sind, die im gleichen Abstand voneinander entlang des Überbrückungselements liegen, wobei in jeder Gruppe die Löcher auf dem Rohrumfang angeordnet sind.

Der Abstand L zwischen den äußeren Polen 21 und 24 der Spule 7 beträgt:

L=3(a+b)--(a

und der Abstand /den zwischen den Polen 21,22 und 23, 24 in einem Polpaar ist gleich a,

mit a = Lochweite des Überbrückungselements,

b = Abstand zwischen den Gruppen der Löcher des Überbrückungselements.

Falls die Lage des verschiebbaren Körpers mit einer

noch größeren Genauigkeit zu bestimmen ist, während a und b sehr klein sind, so wird der Abstand zwischen

so den äußeren Polen 21, 24 der Spule 7 im allgemeinen Fall der Wicklungsanordnung errechnet nach:

während der Abstand /zwischen den Polen 21,22,23,24 in einem Paar beträgt:

mit na 3 (ganzzahlig),so n=3/!-,5usw.

Der Abstand zwischen den Polen 9,10; 11,12; 13 und 14 ist nicht begrenzt und ausgehend von der möglichen Anordnung der Wicklungen bestimmt.
E: sei nun der Betrieb des erfindungsgemäßen Gebers betrachtet:

Bei Stromfluß durch die Primärwicklungen 15, 16, 17 des Gebers tritt an den Sekundärwicklungen 18, 19, 20

(s. F i g. 3) eine Spannung auf. An den Wicklungen der durch das Überbrückungselement verbundenen Spulen 4, 5, 6 zur Grobablesung ist die Spannung um ein Vielfaches höher als an den Wicklungen der nicht überbrückten Spulen. Falls die Anordnung der Induktivitätsspulen im Geber bekannt und die Spannung an den Sekundärwicklungen gemessen ist, kann man die Lage der Stirn 29 des Überbrückungselements bestimmen, nämlich die obere Stirn 29 wird sich zwischen irgendwelchen zwei der Spulen 4—6 befinden, in deren einer die Spannung in der Sekundärwicklung um ein Mehrfaches höher als in der Wicklung der anderen ist. .

Sind die Spulen 4, 5 und 6 in einem beträchtlichen Abstand voneinander angeordnet, so ist eine derartige Lagebestimmung des Überbrückungselements nur grob (mit geringer Genauigkeit).

Zur exakteren Lagebestimmung der Stirn des Überbrückungselements wird die Spule 7 (s. Fig.4) benutzt

Zur weiteren Erläuterung des Betriebs sei zunächst angenommen, daß das Überbrückungselement fehlt.

Dann erscheinen an den Sekundärwicklungen 27, 28 bei Stromfluß durch die Primärwicklungen 25, 26 (s. F i g. 3) gleich große Spannungen. Da aber die Sekundärwicklungen 27, 28 in Differenzschaltung liegen, heben sich diese Spannungen gegenseitig auf, so daß an den Ausgängen 30,31 die Spannung Null ist.

Wenn das Überbrückungselement 8 auf die Induktivitätsspule 7 aufgesetzt und in die in F i g. 4 dargestellte Lage gebracht wird (das obere Polpaar 21, 22 liegt gegenüber den Gruppen der Löcher des Überbrükkungselementes 8 und das untere Polpaar 23, 24 gegenüber dem durchgehenden Teil des Überbrükkungselementes 8), ist der durch das untere Polpaar 23, 24 gehende und sich über das Überbrückungselement schließende Magnetfluß größer als der durch das obere Polpaar 21, 22 gehende Magnetfluß, denn das Überbrückungselement sichert in dieser Lage einen geringeren magnetischen Widerstand für den durch das untere Polpaar 23, 24 als für den durch das obere Polpaar gehenden Magnetfluß. Deshalb ist die Spannung an der unteren Sekundärwicklung 28 größer als die an der oberen Sekundärwicklung 27, und an den Ausgängen 31,30 tritt eine Spannung auf.

Wenn nun das Überbrückungselement aus dieser Lage nach oben verschoben wird, so werden die magnetischen Widerstände für die durch das obere Polpaar 21, 22 und die durch das untere Polpaar 23, 24 gehenden Magnetflüsse zuerst ausgeglichen, und folglich werden auch die an den Wicklungen induzierten Spannungen ausgeglichen, während die Spannung an den Ausgängen 30,31 auf Null abfällt.

Dann wird bei der weiteren Verschiebung des Überbrückungselements 8 der magnetische Widerstand für den durch das obere Polpaar 21, 22 gehenden

ίο Magnetfluß kleiner als das für den Fluß durch das untere Polpaar 23, 24, die Spannung an den Ausgängen 30, 31 beginnt also auch anzuwachsen.

Das Maximum der Ausgangsspannung wird erreicht, wenn sich das eine Polpaar (z. B. 21, 22) gegenüber den

durchgehenden Abschnitten des Überbrückungselements 8 und sich das andere Polpaar (23,24) gegenüber den Gruppen der Löcher des Überbrückungselements 8 befindet.
Die Spannungsmaxima wechseln sich bei der

Verschiebung des Überbrückungselements in einem Abstand von

a + b

ab—vgl. Fig. 5—,

mit

a = Lochweite des Überbrückungselements,
b = Abstand zwischen den Gruppen der Löcher.

Auf der Ordinatenachse von F i g. 5 ist die Ausgangsspannung (Signalspannung), auf der Abszissenaehse die Verschiebung aufgetragen.

Die Lage der oberen Stirn 29 des Überbrückungselements 8 wird also grob aus den Spannungen der anstoßenden Induktivitätsspulen 4, 5, 6 und fein an der Anzahl der Maxima der an den Ausgängen 30, 31 gemessenen Spannung ermittelt.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann verschiedenartig abgewandelt werden. So kann das Überbrükkungselement z. B. aus einer Vielzahl von mit einem 4P Abstand voneinander längs der Verschiebungsachse angeordneten und miteinander durch magnetische Stege verbundenen Ringen aus Magnetwerkstoff zusammengesetzt sein.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Lagegebers gestattet es, die Lage des linear verschiebbaren Körpers mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprache:

1. Induktiver DifferentialmeBtransformator zur Umformung mechanischer Verschiebungen in entsprechende elektrische Größen, der Primär- und Sekundärspulen mit aufeinanderfolgenden koaxial angeordneten offenen weichmagnetischen Übertragerkernen enthält, an deren Polen ein ferromagnetisches Überbrückungselement verschieblich angeordnet ist, das koaxial zur Spulenachse und außerhalb der Spulen selbst beweglich angeordnet ist, so daß die offenen Übertragerkerne bei Verschiebung des Überbrückungselements längs der Spulenachse überbrückt werden, wobei im Ausgangsstromkreis der Spulen die Lage des Körpers angezeigt wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmaie:

a) der ortsfeste Teil des Meßtransformators (1) enthält zwei koaxial zueinander angeordnete, an einem Ende durch einen Steg verbundene Rohre (2, 3), wobei das Innenrohr (3) die Primär- und Sekundärspulen (4—7) des Transformators mit jeweils vorgegebenem Abstand voneinander aufnimmt;

b) in dem Hohlraum zwischen den Rohren (2,3) ist das Überbrückungselement (8) verschieblich geführt;

c) das Überbrückungselement besteht aus einem rohrförmigen Körper, der längs der Verschiebungsachse und in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Gruppen von Löchern (33) aufweist;

d) eine (7) der Übertragerspülen (4—7) weist einen Übertragerkern mit mindestens zwei Polpaaren (21, 22; 23, 24) auf, die zwischen ihren äußeren Polen (21, 24) einen vorgegebenen Abstand L haben.

2. Induktiver Differentialmeßtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Überbrückungselement (8) Gruppen von Rechtecknuten aufweist

3. Induktiver Differentialmeßtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überbrückungselement (8) durch eine Vielzahl von mit einem Abstand voneinander längs der Verschiebungsachse angeordneten, miteinander durch Stege verbundenen Ringen aus Magnetwerkstoff gebildet ist