DE68908805T2 - Positionsumsetzer. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Positions umsetzer gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
• Ein Positionsumsetzer ist eine Vorrichtung zum Umsetzen der Position eines Steuerelementes entlang einer Richtung innerhalb eines vorbestimmten Feldes in eine entsprechende andere physikalische Größe wie z.B. einem elektrischen Signal.
• Die DE-A-2 429 060 offenbart einen Positionsumsetzer, der ein Element umfaßt, das entlang einer vorbestimmten Richtung relativ zu einem Bezugskörper beweglich ist. Der Bezugskörper umfaßt eine Spule zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes. Die Vorrichtung ist die Positionswechsel mit Hilfe einer Hochfrequenzspule.
• Die EP-A-0 182 085 offenbart einem Positionsumsetzer, der eine Antriebswindung zum Aufrichten eines Vorwärtsfeldes und einen elektrisch leitenden Schirm umfaßt, der relativ zu einer Sensorwindung (Spule) verschiebbar ist.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Positionsumsetzer, der eine hohe Zuverlässigkeit und Kompaktheit aufweist, und insbesondere in unwirtlichen Umgebungen verwendet werden kann.
• Diese Ziele werden durch die Erfindung eines Positionsumsetzer, wie er im Hauptanspruch gekennzeichnet ist, erreicht.
• Vorzugsweise ist die Spule parallel mit mindestens einem Kondensator verbunden, mit welchem sie einen Resonanzkreis bildet.
• Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung klarer, die nur als nicht beschränkendes Beispiel aufzufassen ist, mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen, in welcher
• Fig. 1 ein Schaltkreisdiagramm eines erfinderischen Positionsumsetzer zeigt;
• Fig. 2 eine schematische Aufsicht auf die Basiskomponente des Positionsumsetzer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigt.
• Inbezug auf fig. 1 umfaßt der Positionsumsetzer im wesentlichen eine Spule 3, die parallel mit mindestens einem Kondensator verbunden ist, mit dem sie einen LC parallel Resonanzkreis bei einer Frequenz Fo bildet. Resonanzkreis 3 stellt beispielsweise die Last eines Oszillators 5 dar, dessen Ausgang 6 einen Spitzenwertdetektor 7 antreibt. Bei der Frequenz Fo erzeugt die Spule 3 ein elektromagnetisches Feld, in welchem ein Gleitstück 8 liegt, das beweglich relativ zu Spule 3 entlang einer vorbestimmten Richtung ist, die durch 10 in Fig. 2 angezeigt ist.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt Spule 3 Windungen, die sich auf einer im wesentlichen flachen Oberfläche erstrecken und entlang einer geraden Linie parallel zu der, die die Verschiebungsrichtung 10 des Gleitstückes 8 kennzeichnet, verläuft. Das Gleitstück 8 liegt der Spule 3 gegenüber und seine Verschiebungsrichtung 10 kann zur Vereinfachung als übereinstimmend mit der vorher erwähnten parallelen Linie betrachtet werden. Vorzugsweise bestehend Windungen der Spule 3 aus Leiterbahnen 11, die auf einem gedruckten Schaltkreis Brett 12 aufgetragen sind, mit entsprechenden Ausgängen 13 zur Verbindung mit dem übrigen Teil des Schaltkreises von Fig. 1.
• Das Gleitstück 8, das vorzugsweise flach ist, um eine kompaktere Bauweise zu ermöglichen, umfaßt im wesentlichen ein Element 14 aus nicht ferromagnetischem leitendem Material mit hoher Dissipation (z.B. rostfreiem Stahl), das elektromagnetisch mit der Spule 3 gekoppelt ist.
• Zum Beispiel ist das Element 14 auf einem nicht leitenden Körper 15 angeordnet (gezeigt durch gestrichelte Linien in Fig. 2), der mit geformten Rändern (nicht gezeigt) versehen ist, die in entsprechende Ränder des Brettes 12 eingreifen in einer solchen Weise, daß ein Gleiten relativ dazu entlang der Richtung 10 möglich ist.
• Vorzugsweise haben die Windungen der Spule 3 eine im wesentlichen viereckige Form und sind in zumindest einer Richtung (gegen rechts in Fig. 2) entlang der Verschiebungsrichtung 10 von dem Gleitstück 8 versetzt.
• Insbesondere sind die Windungen der Spule 3 mit einem Windungsabstand oder Gradienten A zueinander versetzt, der vorzugsweise konstant und kleiner oder gleich der Länge B des Elementes 14 in Richtung 10 ist.
• Weiterhin liegen die Windungen der Spule 3 vorzugsweise in der Richtung senkrecht zur Richtung 10 dicht beieinander, und die Breite L der kleinsten Windung 16 in Querrichtung ist mindestens gleich der Breite M des Elementes 14 des Gleitstücks.
• In Betrieb versorgt der Oszillator 5 den Schaltkreis 3, 4 mit einer vorzugsweise sinusförmigen Strom, der einen konstanten Mittelwert in einer solchen Weise hat, daß der Schaltkreis 3, 4 bei der Frequenz Fo resonant ist, wie bereits erwähnt wurde, und einen Gütefaktor Q hat, der durch die Leistung beeinflußt wird, die von dem Element 14 des Gleitstücks verbraucht wird, welches elektromagnetisch mit der Spule 3 gekoppelt ist. Diese Kopplung (und folglich die dissipierte Leistung des Elementes 14) ist am größten, wenn das Gleitstück 8 entsprechend der zentralen Windung 16 der Spule 3 (die am kleinsten ist) positionniert ist, wobei sie allmählich verschwindet, wenn das Gleitstück 8 zu der äußersten Windung hin (nach rechts Fig. 2) verschoben wird.
• Entsprechend dieser Änderung in der Kopplung gibt es eine Veränderung in dem Gütefaktor Q des Resonanzkreises 3, 4, der dagegen im wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz Fo behält, wie auch experimentell nachgewiesen wurde. Offensichtlich, wenn der Gütefaktor Q variiert, verändert sich proportional auch die Ampitude des sinusförmigen Signals, das am Ausgang 6 des Oszillators 5 anliegt.
• In bekannter Weise wird das sinusförmige Signal, das durch den Oszillator 5 erzeugt wird, durch einen Spitzenwertdetektor 7 in ein kontinuierliches Signal umgesetzt.
• Schließlich erscheint ein kontinuierliches Signal am Ausgang 9 des Spitzenwertdetektors 7, dessen Wert proportional der Position des Elementes 14 des Gleitstücks entlang der Verschiebungsrichtung 10 relativ zur Spule 3 ist. Insbesondere erhöht sich dieser Wert mit der Verschiebung des Gleitstücks 8 von der zentralen Windung 16 zur äußersten Windung der Spule 3.
• Vorzugsweise ist der Oszillator 5 so dimensioniert, daß er in der Klasse B in solcher Weise arbeitet, daß sein Ausgangssignal einen hohen dynamischen Wert hat und die ganze Umsetzervorrichtung besonders empfindlich ist.
• Weiterhin, in dem beschriebenen Beispiel, trägt die besondere Geometrie und die Dimensionsbeziehung zwischen der Spule 3 und dem Element 14, wie oben beschrieben, vorteilhaft bei, um, wie experimentell bewiesen wurde, eine im wesentlichen lineare Beziehung zwischen der Position des Gleitstücks 8 entlang der Richtung 10 und der Spannung am Ausgang 9 des Spitzenwertdetektors 7 zu erzeugen.
• Weiterhin erlaubt die typischerweise selektive Frequenz-Antwortkurve des Parallelresonanzkreises, in welchem die Spule 3 vorzugsweise angeschlossen ist, ein Signal zu erhalten am Ausgang 6 des Oszillators 5, dessen Ampitude sich mit der Position des Gleitstückes 8 entlang der Verschiebungsrichtung 10 beträchtlich verändert.
• Das macht es möglich, für den erfindungsgemäßen Positionsumsetzer in vorteilhafter Weise eine erhöhte Empfindlichkeit zu erreichen, so daß es nicht notig ist, aktive Verstärkervorrichtungen (die immer Störungen mit sich bringt) für das Signal zu verwenden, das vom Oszillator 5 erzeugt wird. Folglich ist der elektrische Schaltkreis des Umsetzers besonders sparsam.
• Die Beschreibung zeigt klar die bauliche Einfachheit des erfindungsgemäßen Positionsumsetzers, der mit extrem verkleinerten Dimensionen ausgeführt werden kann, insbesondere in Bezug auf die Dicke der Spule 3 und des Gleitstückes 8 von Fig. 2. Der Positionsumsetzer ist weiterhin besonders zuverlässig wegen der völligen Abwesenheit eines elektrischen Gleitkontaktes zwischen den Elementen 3 und 8 und anders als übliche Potentiometer, kann er selbst in unwirtlichen Umgebungen verwendet werden. Zum Beispiel kann er ohne jegliche Gefahr, daß das Material zerstört wird, in einem Kühlschrank oder Gefriertruhe verwendet werden, wo die Umgebung sehr kalt und feucht ist.
• Offensichtlich kann der beschriebene Positionsumsetzer auf verschiedene Weisen abgewandelt werden, die alle innerhalb des Rahmens der Erfindung liegen.
• Zum Beispiel kann der Windungsabstand A zwischen den Windungen der Spule 3 veränderlich sein, selbst exponentiell, und in diesem Falle kann die Länge B des Elementes 14 vorzugsweise gleich oder größer als der kleinste Windungsabstand der Spule sein. Natürlich ist in diesem Falle die Beziehung zwischen der Position des Gleitstückes 8 entlang der Verschiebungsrichtung 10 und dem Wertesignals am Ausgang 9 des Spitzenwertdetektors 7 entsprechend anders.
• Weiterhin kann die Spule 3 auf andere Weise geformt sein, z. B. mit einer gerundeten Konfiguration, und der elektrische Schaltkreis zum Anzeigen des Signals, das der Position des Gleitstückes 8 entspricht, kann ebenso anders ausgeführt sein.
• Endlich, obwohl das einen weniger linearen und genauen Betrieb mit sich bringt und Schaltkreismodifikationen innerhalb der Möglichkeiten eines Fachmannes auf diesem Gebiet erfordert, kann der Kondensator 4 aus dem Positionsumsetzer wegfallen oder er kann mit der Spule 3 einen seriellen statt einem parallelen Resonanzkreis bilden, oder das Element 14 kann aus ferromagnetischen leitendem Material hergestellt werden. In dem letzteren Fall ist der Betrieb des Umsetzers im wesentlichen unverändert, und der Unterschied liegt im Einfluß des Elementes 14 auf den Gütefaktor Q des Resonanzkreises.

Claims (9)

1. Positionsumsetzer mit einem Gleitstück (8), das in einer vorgegebenen Richtung (10) relativ zu einem Bezugskörper (12) beweglich ist, wobei der Bezugskörper eine Spule (3) umfaßt, die zu Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes geeignet ist, und worin das Gleitstück (8) ein Element (14) aus leitendem Material umfaßt, das nahe bei der Spule (3) liegt und elektro-magnetisch mit dieser gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (3) mit Windungen versehen ist, die sich auf einer im wesentlichen flachen Oberfläche erstrecken, welche entlang einer geraden Linie parallel zur vorbestimmten Richtung (10) verläuft.

2. Positionsumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (3) parallel mit mindestens einem Kondensator (4) verbunden ist, mit dem sie einen Resonanzkreis bildet.

3. Positionsumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (14) des Gleitstückes (8) aus nicht-feromagnetischem leitendem Material hergestellt ist.

4. Positionsumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Windungsabstand (A) zwischen den Windungen der Spule (3) entlang der geraden Linie gleich oder kleiner der Länge (B) des Elements (14) des Gleitstückes (8) entlang der vorbestimmten Richtung (10) ist.

5. Positionsumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Windungsabstand (A) zwischen den Windungen der Spule (3) entlang der geraden Linie veränderlich ist und die Länge (B) des Elements (14) des Gleitstückes (8) entlang der vorbestimmten Richtung (10) zumindest gleich dem kleinsten Windungsabstand der Spule ist.

6. Positionsumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Spule (3) im wesentlichen viereckig und in zumindest einer Richtung entlang der geraden Linie versetzt sind, wobei sie in Querrichtung nahe beieinander liegen.

7. Positionsumsetzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (M) des Elementes (14) des Gleitstückes (8) in Querrichtung gleich oder kleiner der Breite (L) der kleinsten Windung (16) der Spule (3) in Querrichtung ist.

8. Positionsumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Spule (3) entsprechende Leiterbahnen (F) in einem gedruckten Schaltkreis (12) umfassen.

9. Positionsumsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis (3,4) Teil eines Oszillators (5) ist, der einen Höchstwertdetektor (7) antreibt, um an seinem Ausgang (9) ein Signal zu erzeugen, dessen Wert proportional der Position des Gleitstückes (8) entlang der vorbestimmten Richtung (10) ist.