DE2757297A1

DE2757297A1 - Detektoranordnung zur messung einer bewegung

Info

Publication number: DE2757297A1
Application number: DE19772757297
Authority: DE
Inventors: Peter S Levesque
Original assignee: Fischer and Porter Co
Current assignee: Fischer and Porter Co
Priority date: 1977-02-22
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1978-08-24
Also published as: CA1081819A; US4083237A; FR2381285B3; FR2381285A1; GB1580090A

Description

P α t e η t rz η w ö 11 e Dipl. Μ« ^: ^ lauer

tucile-Grahn-. :c;;,„ _t 3,München 80

Fischer & Porter Company Warminster, Pennsylvania, (V.St.A.)

Case 118

Detektoranordnung zur Messung einer Bewegung

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-*- 275729?

Die Erfindung betrifft eine Detektoranordnung zur Messung einer Bewegung oder Verschiebung, die ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das linear proportional zur Größe einer angelegten Eingangs-Bewegung ist.

Sie betrifft insbesondere eine Wandleranordnung mit differentieller Reluktanz bzw. differentiellem magnetischen Widerstand, die sehr stabil arbeitet und ein Signal abgibt, das linear proportional zu der eingegebenen Bewegung ist.

Zum Messen kleiner Verschiebungen in der Größenordnung von 2,5 mm (0,1 Zoll) werden oft lineare oder differentielle Wandler verwendet, in denen ein Kern, der mit einer Primärwicklung und einem Paar Sekundärwicklungen versehen ist, in Längsrichtung durch die zu messende Bewegung verschoben wird. Während solche Umformer oder Wandler zum Messen kleinerer Verschiebungen verwendbar sind, sind sie nicht ausreichend empfindlich und stabil für genaue Messungen von sehr kleinen Verschiebungen in der Größenordnung von 0,025 oder O,OOOO25 mm (Milli-Zoll oder Mikro-Zoll).

Wenn somit ein solcher Detektor verwendet wird, um die Verschiebung eines Kraftaufnehmers zu messen, der nach dem Prinzip einer offenen Schleife bzw. eines offenen Regelkreises arbeitet, muß der Detektor in der Lage sein, auch die leichteste Bewegung des Kraftaufnehmers zu messen, um ein linear hierauf bezogenes Signal zu erzeugen. In dem US-Patent 3 968 693 wird ein Differenzdruckwandler beschrieben, der verschiedene veränderliche Prozessgrößen überwachen kann, wie z.B. Strömungsgeschwindigkeit oder Flüssigkeitspegel unter Verwendung eines schwenkbar montierten Trägers oder Kraftaufnehmers. An das untere Ende des Trägers wird eine Eingangskraft gelegt, wodurch der Träger in einem Maße abgebogen wird, das von der gemessenen Veränderlichen

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abhängt. Mit dem oberen Ende des Trägers ist ein Bewegungs-Detektor operativ gekoppelt, der die Ablenkung oder Verformung des Trägers in ein entsprechendes Signal umformt, das z.B. an eine Außenstation übertragen wird.

Ein geeigneter Detektor für diesen Zweck ist ein Wandler mit differentieller Reluktanz, da dieser hochempfindlich auch gegenüber kleinsten Bewegungen ist. Ein Wandler dieser Art besteht aus einem Paar identischer Umformer, von denen jeder einen U-förmigen Kern hat, auf dessem einen Schenkel die Primärwicklung und auf dessem anderen Schenkel die Sekundärwicklung gewickelt ist. Die Umformer sind symmetrisch angeordnet, wobei die Pole ihrer Kerne einander gegenüberliegen. In dem Zwischenraum zwischen den Polen ist ein Anker angeordnet.

Der Anker des Wandlers ist operativ mit einem Element gekoppelt, dessen Verschiebung gemessen werden soll und der Anker wird aus seiner neutralen Position quer auf die Pole des ersten Umformers zu und von den Polen des anderen Umformers weg in einem Ausmaß entsprechend der Eingangs-Bewegung verschoben. Wenn der Anker so verschoben wird, wird die Reluktanz in dem magnetischen Kreis von einem der Umformer erhöht, während sie in dem magnetischen Kreis des anderen Umformers entsprechend erniedrigt wird.

An die Primärwicklungen der beiden Umformer ist eine hochfrequente Steuerspannung gelegt,, wodurch Spannungen in den Sekundärwicklungen induziert werden, deren Amplituden von dem Windungsverhältnis und dem Kopplungsfaktor abhängen. Die von den Sekundärwicklungen abgegebenen Spannungen sind nur in der neutralen Position des Ankers gleich. Indem die Sekundärwicklungen gegeneinander in Reihe geschaltet werden, wird ein Null-Ausgang in der neutralen Position erzeugt,

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während der Ausgang über Null steigt, wenn der Anker aus seiner neutralen Position verschoben wird. Jede Abweichung des Arbeitsbereiches aus der neutralen Position wird als Vorspannung bezeichnet.

Unter idealen stabilen Bedingungen mit einem Null-Widerstand der Wicklung, einer konstanten Steuerspannung und einer konstanten Betriebstemperatur, ist der Ausgang eines Wandlers mit differentieller Reluktanz linear auf die Verschiebung bezogen. Während es jedoch bekannt ist, bei Wandlern die Steuerspannung bei begrenztem Wicklungswiderstand und sich ändernden Temperaturbedingungen zu regeln, ist der Zusammenhang zwischen der Eingangs-Verschiebung und dem Ausgangssignal instabil und nicht linear.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten und stabilen Wandler mit differentieller Reluktanz zu schaffen, der hochempfindlich gegenüber sehr kleinen Verschiebungen ist.

Gemäß der Erfindung wird dies erreicht durch einen Wandler, der aus einem Paar Umformer besteht, von denen jeder eine Primärwicklung, eine Haupt-Sekundärwicklung und eine Hilfs-Sekundärwicklung aufweist.

Die Eingangs-Bewegung wird an den verschiebbaren Anker des Wandlers gelegt.

Mit Hilfe der Hilfs-Sekundärwicklung wird eine Rückkopplungsspannung erzeugt, um die an die Primärwicklungen gelegte hochfrequente Steuerspannung zu regeln.

Hieraus ergibt sich eine verbesserte Linearität des Ausgangssignales als Funktion der Eingangs-Bewegung. Ferner wird die

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Stabilität im Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal und der Eingangs-Bewegung verbessert. Schließlich wird auch die Stabilität in der Vorspannungs-Einstellung verbessert.

An die Primärwicklungen der Umformer wird die hochfrequente Steuerspannung gelegt, die durch einen Oszillator erzeugt wird, dessen Amplitude durch eine Rückkopplungsschleife von den Hilfs-Sekundärwicklungen reguliert wird. Die in den Haupt-Sekundärwicklungen, die in Gegenreihenschaltung liegen, induzierten Spannungen, erzeugen ein Ausgangssignal entsprechend der Differenz zwischen diesen Spannungen.

Bei dem konventionellen Wandler mit differentieller Reluktanz ist das Ausgangssignal eine Funktion nicht nur der Eingangs-Bewegüng, sondern es hängt ferner von der effektiven Steuerspannung und dem Kopplungsfaktor der Umformer ab. Bei Temperaturänderungen ändert sich der Widerstand der Primärwicklungen und als Folge davon ändert sich auch die effektive Steuerspannung. Ferner führt eine Temperaturänderung zu einer Veränderung des Kopplungsfaktors, so daß das Ausgangssignal dann temperaturabhängig wird. Und da die Induktanzen der Primärwicklungen sich mit der Eingangs-Bewegung ändern, wird der Steuerstrom durch diese Wicklungen geändert und die Änderung des Steuerstromes infolge der Spulenwiderstände führt zu einer entsprechenden Änderung der effektiven Steuerspannung, was einen nicht-linearen Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal und der Größe der Eingangsbewegung zur Folge hat.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Hilfs-Sekundärwicklungen in Reihen-Koinzidenz geschaltet, um eine Rückkopplungsspannung zu erzeugen, die an einen Regler gelegt wird, der die Rückkopplungsspannung mit einer Bezugsspannung vergleicht, um eine Steuerspannung zu erzeugen, die an einen

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Oszillator gelegt wird, um die Amplitude der Steuerspannung für dLe Umformer zu regeln.

Die von den Hilfs-Sekundärwicklungen abgeleitete Rückkopplungsspannung unterliegt denselben temperaturabhängigen Veränderlichen, die das Ausgangssignal beeinflussen, das von den Haupt-Sekundärwicklungen abgeleitet wird. Die Rückkopplungsspannung variiert somit mit den sich ändernden Widerständen der Primärwicklung und dem sich ändernden Kopplungsfaktor. Die Wirkung dieser Veränderlichen wird durch den Rückkopplungs-Regler aufgehoben und das Ausgangssignal ist nicht mehr temperaturabhängig, sondern es ist eine lineare Funktion der Eingangs-Bewegung und der Bezugsspannung.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch einen konventionellen Wandler mit differentieller Reluktanz zeigt.

Fig. 2 zeigt eine konventionelle Detektoranordnung mit dem Wandler nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt den Steuerkreis für die Primärwicklung des konventionellen Systems.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Wandler nach der Erfindung.

Fig. 5 zeigt die Schaltung einer Detektoranordnung, die den erfindungsgemäßen Wandler aufweist.

Fig. 6 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Wandler vom Typ des linear veränderlichen differentiellen Umformers.

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ίο

Fig. 1 und 2 zeigen einen Standard-Wandler mit differentieller Reluktanz, der aus einem Paar Umformer 10 und 11 besteht, von denen jeder einen U-förmigen Kern C hat, auf dessem einen Schenkel eine Primärwicklung und auf dessem anderen Schenkel eine Sekundärwicklung gewickelt ist. Der Kern C des Umformers 10 ist somit mit einer Primärwicklung L., und einer Sekundärwicklung L₂ versehen, während der Kern C des Umformers 11 mit einer Primärwicklung L₃ und einer Sekundärwicklung L₄ versehen ist.

Die Umformer 10 und 11 sind symmetrisch bezüglich zu einem seitlich oder quer verschiebbaren Anker A angeordnet, der in seiner neutralen Position auf der Y-Achse in der Mitte zwischen den Polen der Kerne liegt, die einander gegenüberliegen. Der Anker A bildet mit dem Kern C des Umformers 10 einen magnetischen Kreis mit Luftspalten G₁ und G₂ an den Polen dieses Kerns und derselbe Anker bildet mit dem Kern C des Umformers 11 einen magnetischen Kreis mit Luftspalten G-, und G₄.

Der Anker A ist operativ gekoppelt mit einem verschiebbaren Element 12, dessen Bewegung gemessen oder überwacht werden soll. Dieses Element ist beispielsweise der Kraftaufnehmer eines Differenzdruckwandlers mit offener Schleife, wie er in dem US-Patent 3 968 693 beschrieben ist. Der Standarddetektor erzeugt unter idealen Bedingungen ein Ausgangssignal, das linear proportional zur Auslenkung des Kraftaufnehmers ist.

Die Ablenkung des Kraftaufnehmers bewirkt eine Querverschiebung des Ankers A aus seiner neutralen Position in der Mitte zwischen den Polen der Kerne C der Umformer 10 und 11 auf die Pole des Kernes C des Umformers 10 zu und von den Polen des Kernes C des Umformers 11 weg und zwar in einem Maße, das von der

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Stärke der Auslenkung abhängt, die ihrerseits von der Veränderlichen abhängt, die von dem Kraftaufnehmer gemessen bzw. abgefühlt wird. Der Wandler ist jedoch auf diesen Anwendungsfall nicht beschränkt, sondern er kann immer verwendet werden wenn ein Signal erzeugt werden soll, das proportional zu einer Verschiebung ist, insbesondere wenn die Verschiebung sehr klein und innerhalb einem schmalen Bereich liegt.

Wie Fig. 2 zeigt, ist an die Primärwicklungen L1 und L₂ der Umformer 10 und 11, die in Reihe geschaltet sind, eine Steuerspannung E, gelegt, die von einem Hochfrequenz-Oszillator 13 erzeugt wird (z.B. 5kHz). Die Sekundärwicklungen L₂ und L₄ sind in Gegenreihenschaltung geschaltet und die in ihnen induzierten Spannungen werden differentiell zusammengefaßt, um ein Wandlersignal Er zu erzeugen. Wenn der Anker A sich in seiner neutralen Position befindet, sind die in den Sekundärwicklungen L₂ und L₄ erzeugten Spannungen gleich, so daß der Wandler als Folge hiervon ein Null-Ausgangssignal erzeugt. Wenn jedoch der Anker A auf den Kern C des Umformers 10 entsprechend der Eingangsbewegung verschoben wird, werden die Luftspalte G₁ und G₂ enger und die Luftspalte G-j und G₄ weiter, so daß die in den Haupt-Sekundärwicklungen L₂ und L₄ induzierten Spannungen in einem Maße verschieden sind, das von der Größe der Eingangsbewegung abhängt und es wird ein Ausgangssignal erzeugt, das diese Differenz wiedergibt.

Mit dem Oszillator 13 ist zum Zwecke der Regelung der Amplitude der Steuerspannung E^ eine Rfckkopplungsschleife verbunden, die einen Regler 14 umfaßt, der von einem Demodulator 15 und einem Differentialverstärker 16 gebildet wird. Der Demodulator 15, der an den Ausgang des Oszillators 13 geschaltet ist, richtet dessen Wechselstromausgang gleich, um eine analoge Gleichspannung zu erzeugen, die in dem

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Differentialverstärker 16 mit einer Bezugsspannung REF verglichen wird. Der Verstärker 16 gibt eine Steuerspannung ab, die an den Eingang des Oszillators 13 gelegt wird und die Differenz zwischen dem analogen Wert und der Bezugsspannung auf ein Minimum zu bringen sucht bzw. bringt, wie in einer üblichen Regel-Schleife, wodurch die Steuerspannung E^ stabilisiert wird.

Die Spannung E vom Ausgang des Wandlers wird an einen Ver-

stärker 17 gelegt und dann in einem synchronen Demodulator 18 demoduliert, dessen Ausgang an eine Summierschaltung 19 gelegt wird, wo er mit einer Vorspannung summiert wird, um ein Ausgangssignal E zu erzeugen. An den Demodulator 18 ist als Bezugsspannung eine Wechselspannung gelegt, die vom Ausgang des Oszillators 13 abgenommen wird.

Bei einem Gleichrichterfaktor von Q und einem sehr hohen Verstärkungsfaktor gilt die folgende Gleichung für die Steuerspannung E-,

_ REF
^Ed - — *

Die Spannung E₂ an der Sekundärwicklung L₂ des Umformers 10 ist eine Funktion der Spannung E₁ an der Primärwicklung L₁ dieses Umformers, ebenso wie von dessen Windungsverhältnis und dessen Kopplungsfaktor. Es gilt daher E₂ ■ E- · k, wobei k eine Konstante ist, die das Windungsverhältnis und den Kopplungsfaktor berücksichtigt.

Gleiches gilt für den Umformer 11, in welchem die Spannung E₄ an der Sekundärwicklung L₄ eine Funktion der Spannung E₃ an der Primärwicklung L₃ ist und es ergibt sich die Gleichung B. ■ E, k.

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I 9

Die Spannungen E₁ und E₃ an den Primärwicklungen L₁ und L₃ der Umformer sind proportional zu den Induktanzen dieser Wicklungen oder Spulen, es gilt daher:

^L1

^E1 -	^L1	₊ L₃	^Ed
^E3 "		^L3	^Ed
^L1	^{+ L}3

Die Spannungen E- und E₄ an den Sekundärwicklungen L₂ und L. hängen von dem k-Faktor der Umformer ab, es gilt daher:

₁ ^E2 " L₁ + L₃ ^{k E}d

E. = -= -^z k E

4 L< + L, α

Insoweit die Sekundärwicklungen L₂ und L₄ gegeneinander In Reihe geschaltet sind, wird die Spannung E. die an dieser Reihenschaltung erzeugt wird, wie folgt ausgedrückt:

L₁ - L E_ = E, k Gleichung (a)

S α Ij₁ + J-I .j

Wenn die magnetische Reluktanz des Ankers A plus des Kerns C durch R₁ gegeben ist und die Reluktanz der Luftspalte G₁ plus G₂ für die Primärwicklung L₁ durch R definiert ist, so ist die Induktanz L₁ :

worin N₁ die Zahl der Windungen der Primärwicklung L₁ ist.

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Die Reluktanz der Spalte G₁ plus G₂ ist proportional zu der Länge dieser Spalte, es gilt daher:

^{1 R}1 ^{+ R}o ⁽*o * ^x)/go

worin R die Reluktanz des Spaltes ist, wenn der Anker sich in der Mittelposition befindet, g_Q ist die Größe des Spaltes wenn der Anker sich in der Mittelposition befindet und χ ist die seitliche Verschiebung des Ankers.

Definiert man die Induktanz L_Q als Induktanz der Primärwicklung L- wenn der Spalt G- den Wert g hat, so kann die Induktanz von L₁ wie folgt ausgedrückt werden:

L, - L

1 ο g - χ Gleichung (b)

worin χ die Verschiebung des Ankers A aus seiner neutralen oder Mittelposition ist.

In gleicher Weise gilt:

g_o L₃ * L ~ Gleichung (c)

"o

Durch Zusammenfassung der Gleichungen (a), (b) und (c) wir die Größe der Spannung E_ wie folgt ausgedrückt:

^Es * ^Ed ^k

/^Lo *o\ / ^Lo

v g_o -^x j V^o +

^Lo % \ +

o *)

- 11 -

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Dieser Ausdruck reduziert sich zu:

/ 1

E_g = E_d k

(g_o-¹

V *o - ^x / l?o ⁺

^Ed ^k

♦ *r ♦ (so - *)

i_ri k I -£- ) Gleichung (d)

Es ist offensichtlich, daß die Gleichung (d) linear bezüglich x ist.

Die Spannung E₃ wird im Verstärker 17 verstärkt, der einen Verstärkungsfaktor G hat. Der übertragungsfaktor de· synchronen Demodulators 18 ist cos Θ, worin θ der Winkel zwischen dem Bezugssignal des Demodulators und dem an diesen angelegten Signal ist.

Somit kann der Ausgang E_Q der Summierschaltung 19 als Funktion der Eingangs-Bewegung χ wie folgt ausgedrückt werden:

E_Q ■ E_d k cos θ G f I + Vorspannung

Vorstehend wurden die Charakteristiken von Wandlern mit differentieller Reluktanz abgeleitet für Primärwicklungen mit Null-Widerstand. Es muß jedoch ein Faktor hinzugefügt werden, der die Wirkung der Spulenwiderstände berücksichtigt,

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1»

In Fig. 3 ist der Widerstand der Primärwicklung L₁ durch den Widerstand R₁ ausgedrückt und der der Primärwicklung L₃ durch den Widerstand R-j. An die in Reihe geschalteten Primärwicklungen L-j und L3 ist die Steuerspannung E, angelegt, wodurch ein Primärstrom I erzeugt wird. Die effektive Steuerspannung E,', die an der Primärwicklung erzeugt wird, ist daher:

E · = E ^L

d <1 X_T + R ;

L·

worin X. und R die gesamten induktiven und resistiven Reaktanzen sind. Als Funktion der Verschiebung χ kann die Reaktanz X_T geschrieben werden wie folgt:

L ο I g_o - χ

was eindeutig eine Funktion von χ ist.

Es ergibt sich daher, daß die Abhängigkeit der effektiven Spannung E_d' von der Eingangsverschiebung χ zu einer Hichtlinearität des Ausgangssignales E_Q als Funktion der Eingangsverschiebung führt.

Bei einem im Versuch verwendeten Detektor, bei dem X. = 10Ok,

Li

Q = 100 und 3x = g_Q sind, wurde gefunden, daß die effektive Steuerspannung E-,' um annähernd 2% variiert. Der Zusammenhang zwischen E_ und E„' kam

S S

Fall geschrieben werden als:

hang zwischen E_ und E„' kann daher für diesen besonderen

S S

V - ^Es

(0,98 + 0,06 -*- j

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Wenn χ zwischen O und g_o/3 variiert, wird der vollständige Ausdruck für das Ausgangssignal E einschließlich der Wirkung des Spulenwiderstandes zu:

E₀ -|O,98 + — I -SP- k cos Θ G

Bei einem konventionellen Detektor, der einen Standardwandler mit differentieller Reluktanz verwendet ist daher der Detektor instabil und der Zusammenhang zwischen der Eingangsbewegung und dem Ausgangssignal ist nicht linear.

Fig. 4 zeigt einen Wandler nach der Erfindung. Er unterscheidet sich gegenüber dem Wandler nach Fig. 1 darin, daß außer den Primärwicklungen L₁ und L₂ und den Sekundärwicklungen L₂ und L₄ außerdem Hilfs-Sekundärwicklungen L₅ und Lg vorgesehen sind. In der Praxis ist die Hilfswicklung Lcj über die Haupt-Sekundärwicklung L₂ und die Hilfswicklung L₆ über die Haupt-Sekundärwicklung L₄ gewickelt.

Wie in Fig. 5 gezeigt, liegen die Haupt-Sekundärwicklungen in Gegenreihenschaltung, um eine Ausgangsspannung E_ zu erzeugen, die von der Differenz zwischen den Sekundärspannungen E₂ und E₄ abhängt, während die Hilfs-Sekundärwicklungen in Reihen-Koinzidenzschaltung liegen, um eine Rückkopplungsspannung E, zu erzeugen, die die Summe der Spannungen ist, die an den Hilfs-Sekundärwicklungen erzeugt werden.

Wenn im Betrieb der Anker A in seiner neutralen Mittelposition ist, sind die Spannungen E₂ und E₄ , die an den Haupt-Sekundärwicklungen erzeugt werden, gleich und entgegengesetzt, weshalb sie sich ausgleichen und es ergibt sich am Wandler eine Null-Ausgangsspannung E₅. In der neutralen

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Position des Ankers A werden jedoch die Spannungen, die an den Rückkopplungsspulen induziert werden (Hilfssekundärwicklungen L₅ und L_g)addiert, um eine Rückkopplungsspannung Ef zu erzeugen, die die Summe dieser Spannungen ist und von den Umformer-Kopplungsfaktoren abhängt.

Wenn daher der Anker A als Funktion einer Eingangs-Bewegung verschoben wird, nimmt die Spannung, die in einer Haupt-Sekundärwicklung und in ihrer zugehörigen Hilfs-Sekundärwicklung erzeugt wird, ab, während die Spannung, die in der anderen Haupt-Sekundärwicklung und in ihrer zugehörigen Hilfs-Sekundärwicklung erzeugt wird, entsprechend zunimmt. Da jedoch die Hauptsekundärwicklungen gegeneinander in Reihe geschaltet sind, wird durch die Differenz ihrer Ausgänge eine Wandler-Ausgangsspannung E erzeugt, die entsprechend der Größe der Verschiebung zunimmt, während die Rückkopplungsspannung in Abwesenheit dieser Faktoren, die zu Nicht-Linearitäten in diesem Ausgang führen, unverändert bleibt.

Obwohl in der neutralen Position des Ankers die beiden Spannungen der Hilfs-Sekundärwicklungen gleich sind und summiert werden, um eine Rückkopplungsspannung zu erzeugen, die das Zweifache von derjenigen beträgt, die an jeder Hilfs-Sekundärwicklung erzeugt wird, wenn der Anker verschoben wird, geht eine dieser Spannungen hoch, während die andere um denselben Betrag abnimmt, so daß demzufolge die Summe unverändert bleibt. Da jedoch die Rückkopplungsspannung Εψ tatsächlich dieselben Nicht-Linearitäten wiedergibt, die die Wandler-Ausgangsspannung E beeinflussen, wird durch Änderungen der Rückkopplungsspannung die Stärke der Steuerspannung E_d reguliert, um diese Nicht-Linearitäten auszugleichen bzw. aufzuheben.

Bei einer Schaltung nach der Erfindung wird die Rückkopplungs-

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spannung E_f an den Demodulator 15 des Reglers 14 In der Rückkopplungsschleife gelegt, wo sie Im Verstärker 16 mit einer Bezugsspannung REF verglichen wird, um eine Steuergleichspannung zu erzeugen, die an den Oszillator 13 gelegt wird, um eine Steuerwechselspannung E,, die dadurch erzeugt wird, zu regulieren. Die Rückkopplungsspannung Ef wird ferner als Bezugsspannung an den Demodulator 18 gelegt, der an den Ausgang des Verstärkers 17 geschaltet ist. Der Eingang zum Verstärker 17 wird vom Ausgang E₈ der Haupt-Sekundärwicklungen L₂ und L₄ abgenommen, der über die Summierschaltung 19 angelegt wird, an welche eine einstellbare Vorspannung 20 gelegt wird, die ebenfalls von der Rückkopplungsspannung Ef abgenommen wird.

Um zu zeigen, wie diese Schaltung arbeitet, wird angenommen, daß das Windungsverhältnis der Haupt-Sekundärwicklung L-zur Hilfs-Sekundärwicklung L₅ = M (in einem Versuchsmodell ist M= 1). In gleicher Weise soll das Windungsverhältnis der Haupt-Sekundärwicklung L₄ zur Hilfs-Sekundärwicklung Lg-M sein. Dann ist die Spannung an der Hilfs-Sekundärwicklung L₅ gleich E₅ = (M) E₂ und die Spannung Lg ist gleich Eg = (M) E₄. Die Rückkopplungsspannung ist E^ * E, +

Wie oben abgeleitet ist die Wandler-Ausgangsspannung E ge-

geben durch:

E_s « E_d' k -2 + Vorspannung E_f. In gleicher Weise ist die Rückkopplungsspannung E- ^Ef ^β V ^k —ζ— ^{M β} V ^{k M}·

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Da E_f durch den synchronen Demodulator 15 demoduliert wird, der dasselbe Phasenverhältnis bzw. denselben Phasenzusammenhang zu dem Signal hat, wie der Demodulator 18, der auf das Differenzsignal E von den Hauptsekundärwicklungen anspricht, ergibt sich für die Rückkopplung des Reglers die folgende Funktion:

E_d' km cos θ = REF.
Ersetzt man E-,' in der Gleichung für die Spannung E , so

Q S

ergibt sich:

^Es- MSH!"!?- ^k \ + vorspannung

Bei einer Verstärkung um den Faktor G ergibt sich die Verstärkung des Verstärkers 17 und bei einer Demodulierung durch den Demodulator 18 mit einem Übertragungsfaktor cos θ zu:

REF x

Er = G —rj— + Vorspannung

Dieser Ausdruck ist linear bezüglich der Eingangs-Bewegung χ und er ist unabhängig von jeder Veränderung von cos θ oder k. Ferner kann für die Vorspannung (bias) ein einfaches Dämpfungsnetzwerk vorgesehen sein und sie ist direkt auf die Eingangs-Bewegung χ bezogen und unabhängig von anderen Koeffizienten.

In der Praxis kann die Schaltung mittels einer Gleichspannungsquelle über einen Spannungsregler betrieben werden, die die Betriebsspannung für den Oszillator, die Verstärker und die anderen aktiven Elemente und außerdem eine Bezugsspannung für den Verstärker 16 in der Rückkopplungsschleife liefert.

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Die beschriebenen Methoden sind auch anwendbar bei einem linear veränderlichen Differential-Umformer. In einem konventionellen Umformer dieser Art, der eine physikalische Bewegung in eine Ausgangsspannung umformt, deren Amplitude und Phase proportional zur Position sind, ist ein beweglicher Eisenkern zwischen zwei Sekundärwicklungen angeordnet, die einer gemeinsamen Primärwicklung zugeordnet sind. Eine Verschiebung des Kerns aus seiner Null-Position läßt die Spannung in der einen Sekundärwicklung steigen, während gleichzeitig die Spannung in der anderen Sekundärwicklung reduziert wird. Die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen verändert sich mit der linearen Position.

Bei der Schaltung nach Fig. 6 sind die Spulen des auf eine Bewegung ansprechenden Umformers auf eine Haspel oder Trommel 21 gewickelt, die mit einem beweglichen Kern 22 versehen ist, der axial bezüglich der beiden Gruppen von Spulen oder Wicklungen beweglich ist. Die Gruppe auf der linken Seite besteht aus einer Primärwicklung L₁, einer Haupt-Sekundärwicklung L₂ und einer Hilfs-Sekundärwicklung L₅, die auf die Hauptsekundärwicklung L- gewickelt ist (oder umgekehrt). Die Gruppe auf der rechten Seite besteht aus einer Primärwicklung L3, einer Haupt-Sekundärwicklung L^ und einer Hilfs-Sekundärwicklung L₆, die auf die Haupt-Sekundärwicklung L₄ gewickelt ist. Die mit diesem Umformer versehene Schaltung ist im wesentlichen dieselbe wie die nach Fig. 5 und sie hat vergleichbare Vorteile. Da die Primärwicklungen L₁ und L₃ in derselben Richtung gewickelt und in Reihen-Koinzidenz geschaltet sind, können in der Praxis diese Primärwicklungen durch eine einzelne Wicklung gebildet werden.

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Claims

2767297

Patentansprüche

Detektoranordnung zum Messen einer Bewegung und zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals, das linear proportional zu der Größe der angelegten Eingangs-Bewegung ist, gekennzeichnet durch einen Differential-Wandler mit zwei Gruppen von Spulen, von denen jede eine Primärwicklung, eine Haupt-Sekundärwicklung und eine Hilfs-Sekundärwicklung aufweist, einen Anker, der seitlich entsprechend dieser Eingangsbewegung aus seiner neutralen Position zwischen den beiden Gruppen in eine Position auf eine der Gruppen zu und von der anderen weg beweglich ist, einen Oszillator zur Erzeugung einer hochfrequenten Steuer-Wechselspannung, die an die Primärwicklungen dieser Gruppen gelegt wird, um in den Haupt-Sekundärwicklungen und in den Hilfs-Sekundärwicklungen Spannungen zu induzieren, die von dem Kopplungsfaktor dieser Gruppen und Änderungen der Temperatur abhängen, ferner durch Einrichtungen, um die Wirkung dieser Änderungen auf den Ausgang, der von den Haupt-Sekundärwicklungen abgeleitet wird, aufzuheben, ferner dadurch, daß diese Einrichtungen eine Rückkopplungsschleife mit einem Regler aufweisen, um eine von den Hilfs-Sekundärwicklungen abgeleitete Rückkopplungsspannung mit einer Bezugsspannung zu vergleichen, um eine Spannung zu erzeugen, die an den Oszillator gelegt wird, um die Steuerspannung zu regeln.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Wandler ein linear veränderlicher Differentialumformer ist.

OwaW INSPCCTED 809834/0525
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Wandler ein Wandler mit differentieller Reluktanz ist.
4. Detektoranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wandler mit differentieller Reluktanz mit einem Paar symmetrisch angeordneter Umformer, von denen jeder einen Ifern, eine Primärwicklung, eine Hauptsekundärwicklung und eine Hilfs-Sekundärwicklung aufweist, ferner einen Anker, der quer entsprechend der Eingangs-Bewegung aus seiner neutralen Position zwischen den Kernen in eine Bewegung auf einen der Kerne zu und von dem anderen weg verschiebbar ist, einen Oszillator zur Erzeugung einer hochfrequenten Steuer-Wechselspannung, die an die Primärwicklung jedes Umformers gelegt wird, um einen Erregerstrom in diesem zu erzeugen, der eine Funktion der Position des Ankers ist, daß infolge des Erregerstromes eine Spannung in den Hauptsekundärwicklungen und den Hilfs-Sekundärwicklungen erzeugt wird, die eine Funktion der Induktanz der Primärwicklung jedes Umformers und des Kopplungsfaktors zwischen dessen Primärwicklung und dessen Sekundärwicklungen ist, wobei die induzierte Spannung Ursache für einen nicht-linearen Zusammenhang zwischen ihr und der Bewegung des Ankers ist, ferner durch Einrichtungen, um diesen nicht-linearen Zusammenhang zu reduzieren, mit einer Rückkopplungsschleife mit einem Regler, um eine Rückkopplungsspannung, die von den Hilfs-Sekundärwicklungen, die in Reihen-Koinzidenz geschaltet sind, abgeleitet ist, mit einer Bezugsspannung zu vergleichen, um eine Kontrollspannung zu erzeugen, die an den Oszillator gelegt wird, um die Steuerspannung zu regulieren.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Haupt-Sekundärwicklungen in Gegenreihenschaltung liegen, um eine Wandler-Ausgangsspannung zu erzeugen, die von der Differenz zwischen den Spannungen abhängt, die von den Haupt-Sekundärwicklungen abgegeben werden.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Wandler-Ausgangsspannung an einen Demodulator gelegt wird.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückkopplungsspannung als Bezugsspannung an den Demodulator gelegt wird.
8. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Regler aus einem Demodulator besteht, der die Rückkopplungsspannung gleichrichtet und sie an einen Differentialverstärker legt, in welchem die gleichgerichtete Rückkopplungsspannung mit der Bezugsspannung verglichen wird, um die Kontrollspannung zu erzeugen.