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Potentiometer
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Die Erfindung betrifft ein Potentiometer mit einem elektrischen Widerstand
konstanten Querschnitts, der an einem Körper befestigt ist und sich in Form einer
Bahn längs einem gegebenen Weg erstreckt, und mit einer Stellmarke, die mitgenommen
wird von einem Läufer, der in oder an dem Körper entlang dieses Widerstands geführt
ist, um die elektrische Spannung so zu teilen, daß eine Ausgangsspannung erzeugt
wird, die proportional zur Verschiebungsamplitude dieser Stellmarke längs dieses
Widerstands ist.
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Bei bekannten Potentiometern dieser Art, die auf verschiedenen Gebieten
der Technik verwendet werden, z.B.
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bei Fernmessung und -steuerung, ist die Stellmarke an dem Läufer durch
eine mechanische Verbindung befestigt, deren Funktion darin besteht, sie elastisch
gegen den elektrischen Widerstand anzulegen, um einen ausreichend sicheren Kontakt
zu gewährleisten. Damit der Reibungswiderstand der Stellmarke auf der Oberfläche
des elektrischen Widerstands nicht zu Deformierungen führt, welche die Präzi-
5ion
der gewonnenen Information beeinträchtigen würden, ist die Elastizität dieser mechanischen
Verbindung auf eine einzige Richtung begrenzt, die senkrecht zu der Ebene oder der
Tangente dieser Oberfläche ist, um jegliches Nachgeben in der Bewegungsrichtung
der Stellmarke bei Umkehrungen ihrer Bewegungsrichtung zu verhindern.
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Die für eine optimale Funktion derartiger Potentiometer gestellten
Bedingungen werfen Probleme auf.
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Die Reibung der Stellmarke auf dem elektrischen Widerstand führt zu
einer fortschreitenden Abnutzung dieser beiden Elemente und zur Bildung von leitfähigem
Staub, wodurch die einwandfreie elektrische Funktion des Potentiometers beeinträchtigt
wird; wenn ferner die Stellmarke einen Punktkontakt mit der Oberfläche des elektrischen
Widerstands bilden soll, was erforderlich ist, um eine ausreichende Präzision zu
erhalten, so kann dieser Verschleiß schlecht in Grenzen gehalten werden. Zu diesem
Zweck müssen Werkstoffe verwendet werden, die möglichst abriebfest sind und eine
sehr glatt polierte Kontaktoberfläche aufweisen.
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Die Begrenzung der Elastizität der mechanischen Verbindung zwischen
der Stellmarke und dem Läufer auf nur eine Richtung zwingt zu einer genauen, spielfreien
mechanischen Montage oder zu komplizierten Formen der verwendeten Federn, insbesondere
wenn diese die eigentliche Verbindung bilden.
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Aufgabe der Erfindung ist die Behebung dieser Schwierigkeiten bei
gleichzeitiger Milderung der durch den Verschleiß des elektrischen Widerstands und
der Stellmarke auftretenden Probleme und vollständiger Vermeidung der Schwierigkeiten,
die durch herkömmliche Verbindungen zwischen diesen beiden Teilen auftreten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Potentiometer dadurch
gekennzeichnet, daß es eine elektrische Kontaktbahn konstanten Querschnitts aufweist,
die an dem Körper befestigt ist und sich längs des elektrischen Widerstands in konstantem
Abstand von diesem erstreckt, und einen an dem Läufer gegenüber dem Raum zwischen
dem Widerstand und der Kontaktbahn befestigten Magnet umfaßt, und daß die Stellmarke
durch ein leitfähiges, einen Umdrehungskörper bildendes Teil gebildet ist, das von
jeder mechanischen Verbindung frei ist und allein durch die magnetische Kraft des
Magneten in Rollkontakt mit dem elektrischen Widerstand und mit der Kontaktbahn
diese überbrückend gehalten wird, wobei die Kontaktbahn den Ausgang dieses Potentiometers
bildet.
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Auf diese Weise entfällt die Reibung der Stellmarke auf dem elektrischen
Widerstand und wird durch ein einfaches Abrollen ersetzt, wodurch der Abrieb dieser
beiden Elemente und die Bindung von leitfähigem Staub verhindert wird, so daß nur
ein minimaler Verschleißeffekt verbleibt, der allein aufgrund des Rolldruckes der
Stellmarke verursacht wird, welcher aber praktsich als vernachlässigbar angesehen
werden kann. Das Entfallen jeglicher mechanischer Verbindung zwischen der Stellmarke
und dem Läufer, deren Funktiondarin bestehen soll, sie elastisch in Anlage zu halten,
und das Ersetzen dieser Verbindung durch lediglich die magnetische Kraft eines'Magneten
führen zur Vermeidung der oben dargelegten Probleme, die bei derartigen Verbindungen
auftreten.
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Weitere Vorteile undMerkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen
wird.
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In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen teilweise im
Schnitt gezeigten Aufriß einer ersten Ausführungsform; Fig. 2 eine Teil-Draufsicht;
Fig. 3 einen im Aufriß gezeigten Teilschnitt einer zweiten Ausführungsform; Fig.
4 eine Seitenansicht eines Meßgerätes mit einem erfindungsgemäßen Potentiometer;
Fig. 5 eine Schnittansicht längs Linie I-I in Fig. 4.
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Das in den Figuren 1 und 2 zum leichteren Verständnis vergrößert dargestellte
Potentiometer ist ein Drehpotentiometer. Es weist einen Körper 1 auf, der aus drei
aufeinandergefügten und durch vier Schrauben 2 zusammengebauten Elementen besteht,
nämlich einer Fußplatte 3 aus Metall, einer isolierenden Platine 4 aus Plastikmaterial
und einer Metalihaube 5. Die Fußplatte 3 umfaßt zwei zu ihrer Befestigung bestimmte
Laschen 6.
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Bei der in Figur 2 gezeigten Draufsicht sind zur Vereinfachung nur
die Platine und ihr Inhalt dargestellt.
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Die Platine 4 umfaßt eine kreisbogenförmige Rille 7, die einen rechtwinkligen
konstantennach oben offenen Querschnitt aufweist und im oberen Bereich ihrer beiden
senkrechten Wandungen mit zwei Auskehlungen 8 versehen ist, die ebenfalls kreisbogenförmig
sind und konstanten Querschnitt aufweisen sowie kreissektorförmig sind; in diese
Auskehlungen 8 sind elastisch eingesetzt: zum einen ein elektrischer Widerstand
9 konstanten Querschnitts und mit konstantem spezifischen Widerstand und andererseits
eine elektrische Kontaktbahn 10, die ebenso wie der elektrische Widerstand einen
kreisförmigen Querschnitt aufweist.
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Dieser Widerstand 9 und diese Kontaktbahn 10 befinden sich
durch
diese Anordnung über die gesamte nutzbare Länge des Verschiebeweges in gleicher
Entfernung voneinander.
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Die beiden Enden des Widerstands 9, die dazu bestimmt sind, an die
zwei Pole einer elektrischen Stromquelle angeschlossen zu werden, sind abgeflacht
und durch zwei Rohrniete 11 am Boden einer Aussparung 12 der Platine 4 auf der Höhe
der Auskehlungen 8 befestigt. Ein Ende der Kontaktbahn 10, das dazu bestimmt ist,
an eine Schaltung für die Verarbeitung des elektrischen Ausgangssignals des Potentiometers
angeschlossen zu werden, ist in gleicher Weise am Boden dieser Aussparung 12 durch
einen dritten Rohrniet 13 befestigt, während das andere Ende dieser Kontaktbahn
frei gelassen ist.
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In der Rille 7 ist ein als Umdrehungskörper ausgebildetes, leitfähiges
Teil 14 eingeschlossen, welches bei der gezeigten Ausführungsform eine Metallkugel
aus einer Eisenlegierung ist und die Stellmarke, d.h. den Schleifer dieses Potentiometers
bildet. Der Durchmesser dieser Metallkugel muß größer sein als der den Widerstand
9 von der Kontaktbahn 10 trennende Abstand E, damit der Durchgang der Metallkugel
zwischen diesen beiden Elementen verhindert und die Kontaktbildung an diesen ermöglicht
wird.
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In der Metallhaube 5 ist über ein Lager 17, das koaxial zur kreisbogenförmigen
Rille 7 der Platine 4 ist, eine Antriebswelle 15 drehbar gelagert, welche einen
Antriebsvierkant 16 aufweist. Diese Welle 15 ist axial durch eine Schulter 18 und
eine Haltescheibe 19 gesichert. Am Innenende dieser Welle ist mittels einer Mutter
20 und einer Spannscheibe 21 ein Läufer 22 aus Metall befestigt, der bei der gezeigten
Ausführungsform als starrer Arm rechtwinkligen Querschnitts gebildet ist, dessen
Form bei der in Figur 2 gezeigten Draufsicht dünn strichpunktiert dargestellt ist.
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Die Drehung der Antriebswelle 15 ist in beiden Richtungen durch Anschläge
23 für den Läufer 22 begrenzt, wobei diese Anschläge 23 in die Platine 4 eingeschraubt
sind.
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Ein Magnet 24, der bei der gezeigten Ausführungsform ein natürlicher
Permanentmagnet vom Magnetit-Typ ist, ist an den Läufter 22 gegenüber dem Raum E
zwischen dem Widerstand 9 und der Kontaktbahn 10 über eine Gewindehülse 25 aus isolierendem
Plastikmaterial befestigt, in welcher dieser Magnet durch Einpressen gehalten ist..
Die wirksame Fläche dieses Magneten 24 muß von jeder Berührung und Reibung mit der
Umgebung frei sein. Die Durchmesser der kugelförmigen Stellmarke 14, des Widerstandes
9 und der Kontaktbahn 10 sowie die Höhe der Auskehlungen 8 in der Rille 7 müssen
aufeinander so abgestimmt sein, daß diese Stellmarke sich genügend nahe an dem Magneten
24 befindet, um der Anziehungskraft desselben ausgesetzt zu sein.
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Auf diese Weise ist die kugelförmige Stellmarke 14 sowohl gegen den
Widerstand 9 als auch gegen die Kontaktbahn 10 angelegt und wird durch den Läufer
22 entlang dem durch diese beiden Elemente gebildeten Verschiebeweg mitgenommen,
wenn die Antriebswelle 15 betätigt wird. Dabei tritt keine Reibung auf, die zu einem
Verschleiß dieser Teile und zur Bildung von leitfähigem Staub führen würde. Da ferner
der Magnet 24 starr an dem Läufer 22 befestigt ist, ist die relative Lage zwischen
der Stellmarke 14 und diesem Läufer im Rahmen der wirksam werdenden Kräfte unveränderlich,
da weder ein funktionsbedingtes Spiel noch Elastizitätserscheinungen bei dieser
Verbindung wirksam sind, was insbesondere auch für die Bewegungsumkehrungen des
Läufers zutrifft.
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Der Grad der Oberflächenqualität der miteinander in Kontakt befindlichen
Abrollflächen sowie das Verhältnis zwischen der Anziehungskraft des Magneten und
der Massenträgheit der Stellmarke sind von dem Grad der Präzision
abhängig,
die hinsichtlich der Erzeugung des elektrischen Ausgangssignals des Potentiometers
gefordert wird, sowie von den Betriebsbedingungen abhängig. In diesem Zusammenhang
ist zu beachten, daß die Stellmarke, nachdem sie z.B.
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durch ein hartes Anstoßen des Geräts sich befreit hat, durch die Anziehungskraft
des Magneten automatisch während dessen Bewegung entlang der kreisförmigen Rille
7 wieder eingefangen wird.
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Durch die kreisförmigen Querschnitte des Widerstandes 9 und der Kontaktbahn
10 sowie durch die Kugelform der Stellmarke 10 wird ferner erreicht, daß der Kontakt
zwischen diesen Elementen stets rein punktförmig ist, wodurch eine maximale Präzision
sowie ein minimaler Rollverschleiß gewährleistet sind.
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Bei der zweiten Ausführungsform, die in Figur 3 teilweise dargestellt
ist, unterscheidet sich nur die mit 40 bezeichnete Platine von der Platine 4- der
zuvor beschriebenen Ausführungsform.
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Diese Platine 40 weist bei der zweiten Ausführungsform eine Rille
70 auf, die mit der Fußplatte 3 des Körpers eine geschlossene Kammer bildet, um
diese wenigstens über ihre gesamte Nutzlänge gegen Staub abzudichten. Zu diesem
Zweck ist die Rille 70 in bezug auf die Rille 7 der zuvor beschriebenen Ausführungsform
umgekehrt, d.h. zur Unterseite hin geöffnet, so daß sie an der Oberseite zwischen
der Stellmarke 14 und dem Magneten 24 eine Trennwand bildet und eine der Fußplatte
3 gegenüberliegende oberseitige Wandung 26 aufweist.
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Bei dieser Ausführungsform ist auch die in Figur 3 nicht gezeigte
Aussparung 12 der zuvor anhand von Figur 2 beschriebenen Ausführungsform umgekehrt,
und -ihre Staubabdichtung kann durch elektrische Anschluß teile gewährleistet sein,
die normalerweise an dieser Aussparung enden.
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Die beschriebenen Ausführungsformen können weiter variiert werden.
Insbesondere können die Querschnitte des elektrischen Widerstandes 9 und der Kontaktbahn
10 anders als kreisförmig ausgebildet sein. Um den Widerstandswert zu erhöhen, ist
es ferner möglich, einen aufgewickelten Widerstand zu verwenden, der auf seinem
Nutzbereich mit einem resistiven Material durchgehender Oberfläche beschichtet ist.
Ferner kann die Stellmarke 14 eine andere Form als Kugelform aufweisen, vorausgesetzt,
daß es sich um einen Umdrehungskörper handelt, der längs des Widerstandes 9 und
der Kontaktbahn 10 abrollen und durch diese beiden Elemente geführt werden kann.
Bei dem Magneten 24 kann es sich um einen künstlichen, z.B. Elektromagneten handeln.
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Die Erfindung ist auch auf Schiebepotentiometer anwendbar, bei denen
der Verschiebeweg des Läufers längs des Widerstandes geradlinig ist.
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In den Figuren 4 und 5 ist eine solche Anwendung dargestellt, nämlich
bei einem Meßinstrument zur Messung linearer Größen, mit einem ersten, an einem
Bezugskörper befestigten Fühler und einem zweiten Fühler, der an einem Läufer befestigt
ist, welcher in dem Körper oder an diesem bewegbar ist.
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Das in den Figuren 4 und 5 gezeigte Meßinstrument ist eine Schublehre,
deren Bezugskörper in üblicher Weise durch eine geradlinige Stange 27, die einen
ersten Fühler 28 mit einem Außentaster 29 und einem Innentaster 30 aufweist, und
aus einem Läufer gebildet ist, der aus einem Gleitstück 31 besteht, welches spielfrei
gleitend anf der Staub ge 27 gehalten ist und einen zweiten Fühler 32 aufweist,
der ebenfalls einen Außentaster 33 und einen Innentaster 34 umfaßt, welche gegenüber
den Tastern 29 und 30 der Stange 27 angeordnet sind.
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Durch eine Spannschraube 35 kann das Gleitstück 31 blokkiert werden.
Eine Halteplatte 36 verhindert das Freikommen des Gleitstücks 31. Mittels eines
Rädchens 37 kann das Gleitstück 31 manuell auf der Stange bewegt werden. Ferner
ist in ebenfalls herkömmlicher Weise dem Gleitstück 31 ein Taster 38 für Tiefenmessungen
zugeordnet.
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Das erfindungsgemäße Potentiometer wird bei dieser Schublehre angewendet,
um ein elektrisches Signal mit einer Spannung zu erzeugen, die proportional der
Verschiebungsamplitude des Gleitstücks 31 längs der Stange 27 ist, um also ein Signal
zu erzeugen, welches den Abstand zwischen den Tastflächen der Fühler 28 und 32 darstellt.
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Zu diesem Zweck ist die Schiebebahn 39 der Stange 27, in welcher der
Fühler 38 für Tiefenmessungen gleitet, mit größerer Breite vorgesehen, um darin
ferner eine Platine 41 aufzunehmen, die als Profilteil aus isolierendem Plastikmaterial
hergestellt ist und eine Längsrille 42 aufweist, die auf der Bodenwand der Schiebebahn
39 nach unten offen ist, wobei an den Seitenwänden dieser Längsrille 42 ein geradliniger
elektrischer Widerstand 43 rechtwinkligen Querschnitts und eine ebenfalls geradlinige
Kontaktbahn 44 rechtwinkligen Querschnitts durch Ankleben befestigt sind. Der elektrische
Widerstand 43 und die Kontaktbahn 44 verlaufen zueinander parallel, und ihre Querschnitte
bilden miteinander einen nach unten offenen Winkel.
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Die Platine 41 weist zwei seitliche Flügel 45, 46 auf, die an der
Stange 27 angeklebt sind, so daß ihre Längsrille 42 mit dem Boden der Schiebebahn
39 dieser Stange eine über ihre gesamte Länge geschlossene Kammer bildet.
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Die Stellmarke des Potentiometers ist bei dieser Aus führt rungsform
ebenfalls eine elektrisch leitfähige Metallkugel
14, die in der
Längsrille 42 eingeschlossen ist und deren Durchmesser so bemessen ist, daß sie
nach oben hin nur mit dem Widerstand 43 und der Kontaktbahn 44 in Berührung kommen
kann.
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Gegenüber dem Raum zwischen diesem Widerstand und dieser Kontaktbahn
ist der Permanentmagnet 24, der in seine Gewindehülse 25 eingepreßt ist, an dem
Gleitstück 31 über ein brückenförmiges Halterungsteil 47 befestigt, das seinerseits
durch zwei Niete 48 an dem Gleitstück befestigt ist und eine Aufnahme 49 aufweist,
in die diese Hülse eingeschraubt ist.
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Der Fühler 38 für Tiefenmessungen ist mit diesem brückenförmigen Halterungsteil
47 durch einen Mitnehmerzapfen 50 verbunden, so daß er dem Gleitstück 31 bei dessen
Verschiebungen folgt.
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Die Längsrille 42 der isolierenden Platine 41 ist an der Halteplatte
36 verschlossen und mündet auf der anderen Seite in einem Gehäuse 51, das durch
zwei weitere mechanische Niete 48 an dem Fühler 28 der Stange 27 befestigt ist,
Die elektrischen Anschlüsse des Widerstandes 43 und der Kontaktbahn 44, die zur
Vereinfachung nicht dargestellt sind, enden in diesem Gehäuse 51, das eine stabilisierte
elektrische Spannungsquelle zur Speisung des Widerstandes 43 und eine Verarbeitungs-
und Formgebungsschaltung für das von der Kontaktbahn 44 abgegebene Signal umfaßt,
welches an einem digitalen Anzeigefeld 52 angezeigt wird, das ähnlich den bekannten
Schaltungsanordnungen ausgebildet ist, die alle zum Filtern, Verstärken, Analog/Digital-Umsetzen
und zum Nullabgleich des Instrumentes erforderlichen Elemente enthalten.
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Die Verwendung des erfindungsgemäßen Potentiometers bei einem solchen
Meßinstrument bietet beträchtliche Vorzüge.
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Der so gebildete Meßwandler wirft, im Geaensatz zu den bei solchen
Instrumenten bisher verwendeten, herkömmlichen Meßwandlern, keinerlei Probleme hinsichtlich
Brüchen auf, die durch Stöße verursacht werden, z.B. bei mechanischen Ubertragungen
an Lehren mit Zeigerskala. Wie bereits erwähnt wurde, befreit sich zwar die Stellmarke,
wenn Stöße auftreten, wird jedoch automatisch von dem Magneten wieder eingefangen,
wenn das Instrument bewegt wird. Es treten keinerlei Nullagefehler bei Umkehrungen
der Verschiebungsrichtung des Gleitstücks auf der Stange und keinerlei Probleme
auf, die auf den Verschleiß der Wandlerelemente zurückzuführen wären, da jegliche
Reibung entfällt. Eine Abdichtung kann ferner nicht nur gegen Staub, sondern auch
gegen Flüssigkeiten gewährleistet werden, was für Anwendungen in einem agressiven
Milieu von Vorteil ist, z.B. an Herstellungsmaschinen in mechanischen Werkstätten
bei der Kontrolle von Teilen im Verlaufe ihrer Herstellung.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Potentiometers ist natürlich nicht
auf Schublehren beschränkt, die lediglich als Beispiel a-ngegeben sind. Vielmehr
kann es in vergleichbarer Weise an jeglichem Meßinstrument zur Messung von linearen
Größen verwendet werden, das einen Bezugskörper, dem der Widerstand unddiexontaktbahn
zugeordnet werden, und einen auf diesem Körper oder in diesem beweglichen Läufer,
welchem der Magnet zugeordnet wird, umfaßt.
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Hierunter fallen insbesondere auch Mikrometer, Lehren zur Tiefenmessung,
Winkelmesser, ebenso wie, in analoger Anwendung, Vorratsmesser jeglicher Art und
Stellungsdetektoren zur Bestimmung der Relativstellung von zwei Elementen bei automatischen
Steuerungen von Werkzeugmaschinen und Arbeitsmaschinen sowie bei radioelektrischen
FernsteUerungen. Der Begriff der Bewegung zwischen dem Läufer und dem Körper ist
auch in dem Sinne zu verstehen, daß das als Läufer bezeichnete Element ruht, während
das als Bezugskörper bezeichnete Element beweglich ist.
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