Die Erfindung betrifft einen Signalwandler zur Umwandlung von magnetischem Fluss in elektrischen Strom, der einen Ferromagnetkreis mit einer darauf angebrachten Messwicklung und eine an den Ausgang eines Verstärkers angeschlosse ne Kompensationswicklung enthält.
In der Regelungstechnik werden verbreitet Ferngeber verwendet, die die technologische Kenngrösse, welche gemessen oder geregelt werden soll (Druck, Niveau, Temperatur), zu erst in eine dieser Grösse proportionale mechanische Verstel lung umwandeln, einen dieser Verstellung proportionalen ma gnetischen Fluss herstellen und mit Hilfe des magnetischen Flusses das elektrische Ausgangssignal formen. Von den
Ferngebern dieses Systems sind die genauesten Geräte die, die nach dem in der Messtechnik allgemein bekannten Kompen sationsprinzip arbeiten, da in diesem Falle die äusseren Stör grössen, wie zum Beispiel die Belastungsänderung, die Ge nauigkeit der Umwandlung nur wenig beeinflussen. Ein der artiger, nach dem Flusskompensationsprinzip arbeitender
Ferngeber ist zum Beispiel in der ungarischen Patentschrift Nr. 152 391 beschrieben.
Ein Beispiel für die Anwendung des Flusskompensations verfahrens geben die Autoren F. C. Fitchen, F. P. Schweig und W. H. Tucker in ihrer Publikation: A new Standard for
Direct Current (Transactions AIEE, Vol. 73, pp 655-658,
Jan. 1954).
Bei der Anwendung des Flusskompensationsverfahrens entstehen die meisten Schwierigkeiten durch die Anfälligkeit des magneto-elektrischen Wandlers. Bei einem Teil der indu striell gefertigten Lösungen werden auf dem Hall-Effekt be ruhende Halbleiter angewendet, deren thermische Stabilität nicht befriedigend ist. Über grössere Genauigkeit verfügende
Typen sind teuer und erfordern zum Betreiben eine verhält nismässig hohe Energie. Ein anderer gebräuchlicher magneto elektrischer Wandler ist das Magnetometer, dessen Arbeitsweise darauf beruht, dass sich die reversible Permeabilität weichmagnetischer Stoffe unter der Wirkung einer Vorma gnetisierung ändert. Diese Geräte sind zwar thermisch stabil, gegen äussere mechanische Einwirkung jedoch sehr emp findlich.
Ausserdem erfordert ihr Betrieb hohe Energie. Ähn liche nachteilige Eigenschaften hat die bekannte Ausführungs form des magnetischen Unterbrechers, welche zum Beispiel in dem Universitätslehrbuch Regelungseinrichtungen von D. Danyi und Z. Telkes beschrieben ist.
Zur Steigerung der Genauigkeit eines nach dem Flusskompensationsverfahren arbeitenden Ferngebers ist ein ma gneto-elektrischer Wandler notwendig, der bei einem magnetischen Fluss von nahe Null so empfindlich wie möglich ist.
Im Interesse dessen muss das bei einem magnetischen Fluss von Null am Ausgang des Wandlers verbleibende Störsignal (offset) so klein wie möglich sein. Eine weitere Forderung besteht darin, dass das Betreiben des Wandlers nur geringe Energie beanspruchen darf, weil der Signalwandler nur in diesem Falle in den für die Benutzung vorteilhaften und daher international verbreiteten Ferngeber mit Doppelleitersystem verwendet werden kann. Bei diesen Ferngebern erfolgt die Energieversorgung von der in die Empfangsseite eingeschalteten Stromquelle über die Doppelleitung, wobei ein Teil der Energie des Ausgangssignals verwendet wird. Das Gerät ist daher verhältnismässig klein.
Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines Magnetfluss Strom-Wandlers, zu dessen Betreiben eine so geringe Energie erforderlich ist, dass der Signalwandler auch im Doppelleitersystem angewendet werden kann, und bei dem im Falle eines magnetischen Flusses von Null das verbleibende Störsignal kleiner ist als das der bekannten Lösungen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Ferromagnetkreis ganz oder zum Teil aus einer geraden Anzahl von aus einem weichmagnetischen Stoff gefertigten Bän dem gebildet ist. Die Bänder sind im Inneren der Messwicklung parallel zueinander und voneinander isoliert angebracht und so in Reihe geschaltet, dass Ströme in den Bändern paarweise in entgegengesetzter Richtung fliessen. Die Bänder sind an einen Generator angeschlossen, der in den Bändern eine periodische Folge von nach Grösse und Dauer verschiedenen positiven und negativen Stromimpulsen erzeugt. Die Messwicklung ist an die Klemmen des Verstärkereinganges angeschlossen.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Mit der Winkeldrehung des permanenten Magneten 1 entsteht in dem Ferromagnetkreis 2 der Fluss b Der in der Kompensationswicklung fliessende Gleichstrom 1k erzeugt im Magnetkreis den Fluss k' dessen Richtung der Richtung des Flusses b entgegengesetzt ist. In dem Magnetkreis sind einander parallel die vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material hoher Permeabilität angefertigten Bänder 4 eingegliedert. Im abgebildeten Fall werden zwei gleichgrosse und voneinander isolierte Bänder benutzt. Die Bänder 4 sind so in Reihe geschaltet, dass ihre Wirkstromrichtung einander entgegengesetzt ist. Der Generator 5 lässt durch die Bänder 4 in beiden Richtungen einen aus asymmetrischen Impulsen bestehenden periodischen Strom fliessen.
Die Messwicklung 6 umschliesst die Bänder 4 und ist an den Eingang des Verstärkers 7 angeschlossen. Der Ausgangsstrom des Verstärkers 7 fliesst durch die Kompensationswicklung 3 und die Lastimpedanz 8.
Die auf Figur 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung arbeitet in folgender Weise:
Die äusseren Magnetfelder der in den Bändern 4 fliessen- den Ströme kompensieren sich vermöge ihrer Schaltung paarweise. Wenn die Asymmetrie des von dem Generator 5 ausgehenden periodischen Stromes in beiden Stromrichtungen ausreichend gross ist, so werden während der Zeitdauer der einen Stromrichtung der Periode die Bänder 4 von dem Strom gesättigt, wodurch ihre Permeabilität sinkt, während der Zeitdauer der entgegengesetzten Stromrichtung ändert sich die Permeabilität jedoch kaum. Auf diese Weise wird die magnetische Leitfähigkeit des Ferromagnetkreises 2 durch den Generator 5 periodisch geändert.
Ist im Inneren der Messwicklung 6 die Resultierende der Flüsse b und k ungleich Null, so wird in der Wicklung durch die Wirkung der sich periodisch ändernden magnetischen Leitfähigkeit eine Spannung induziert, die nach im Verstärker 7 erfolgter Verstärkung und Gleichrichtung einen Strom solcher Grösse durch die Kompensationswicklung 3 fliessen lässt, dass dessen Fluss k und Fluss b eine Resultierende von Null ergeben. Auf diese Weise stehen der durch die Lastimpedanz 8 fliessende Strom und der Fluss (die Winkeldrehung) des permanenten Magneten 1 in eindeutigem Zusammenhang miteinander
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 2 gezeigt.
Wird der permanente Magnet 1 in Richtung der aus unmagnetischem Material gefertigten Achse 10 aus der symmetrischen Lage gebracht, so ruft er im gemeinsamen Abschnitt der in einem Abschnitt gemeinsamen Magnetkreise einen der Verstellung entsprechenden Fluss hervor. Der gemeinsame Abschnitt der Magnetkreise 9 wird durch die zwei aus ferromagnetischem Material hoher Permeabilität gefertigten Bänder 4 gebildet. Die Bänder 4 sind durch Zusammenfalten aus einem Stück angefertigt und an den Längsseiten voneinander isoliert. Die Enden des Bandpaares sind an den Generator 5 angeschlossen, der einen aus in beiden Richtungen asymmetrischen Stromimpulsen bestehenden periodischen Strom erzeugt. Die Messwicklung 6 umschliesst die Bänder 4 und ist mit dem Eingang des Verstärkers 7 verbunden.
Der Ausgang des Verstärkers ist über die Lastimpedanz 8 mit der Kompensationswicklung 3 verbunden, deren Wicklungsrichtung so gewählt wird, dass die Richtung des magnetischen Flusses der Wicklung der Richtung des durch den permanenten Magneten 1 hervorgerufenen Flusses entgegengesetzt ist.
Die Arbeitsweise der auf Fig. 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist mit der der auf Fig. 1 gezeigten identisch. Der durch die Lastimpedanz fliessende Strom steht also mit dem Fluss (der linearen Verstellung) des permanenten Magneten 1 in eindeutigem Zusammenhang.
Es ist ersichtlich, dass zum Betreiben des erfindungsgemässen Signalwandlers eine wesentlich geringere Energie notwendig ist als die bei den bekannten Lösungen erforderliche, da die Energie, die zum Sättigen eines Teiles des Magnetkreises gebraucht wird, geringer ist. Diese Wirkung wird dadurch erreicht, dass dieser Teil des Magnetkreises aus dünnen Bändern gebildet wird, dass die Sättigung unmittelbar mittels des durch die Bänder fliessenden Stroms erreicht wird, und der die Sättigung erzeugende Strom aus asymmetrischen Stromimpulsen besteht, deren Durchschnittswert gering ist.
Der beschriebene Signalwandler ist weiterhin deshalb vorteilhaft, weil die Rauschspannung, die zum Fluss von Null gehört klein und infolgedessen die Empfindlichkeit des Gerätes gross ist, da das resultierende magnetische Streufeld des mittels des über die Bandpaare verteilten und in den Bandpaaren fliessenden Stromes gesättigten magnetischen Abschnittes wesentlich kleiner ist als das bekannter Lösungen. Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Signalwandlers besteht darin, dass die Frequenz der von der Messwicklung abgenommenen Spannung mit der Frequenz des Generators 5 übereinstimmt und in den Stromkreis des Generators keine Reihendiode, die bedeutende Energieverluste verursachen würde, eingeschaltet ist. Durch die identische Frequenz wird die im Verstärker 7 befindliche Gleichrichterstufe (Demodulator) sehr vereinfacht.