DE19716607A1 - Sensorvorrichtung zur induktiven Wegmessung von Schaltkontakten elektromagnetischer Schaltgeräte und elektromagnetisches Schaltgerät mit einer Sensorvorrichtung zur induktiven Wegmessung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur induktiven Wegmessung von Schaltkontakten elektromagnetischer Schaltgeräte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein elektromagnetisches Schaltgerät mit einer Sensorvorrichtung zur induktiven Wegmessung gemäß Anspruch 7.

Induktive Verfahren zur Messung von Bewegungen beziehungsweise von Strecken ortsveränderlicher Teile nutzen die Veränderung der Induktivität einer Spule. Dafür wird in einer Spule die Lage eines ferromagnetischen Eisenkerns verändert.

Aus der Fachliteratur, ELEKTRIE, Berlin 49 (1995) 8/9, Seite 311-312 sind verschiedene induktive Meßverfahren bekannt. Ein mögliches Verfahren beruht auf dem Prinzip der Differentialdrossel, wobei zwei hintereinander liegende Spulen einen gemeinsamen Eisenkern aufweisen. Dieser wird so bewegt, daß er in eine Spule hinein und gleichzeitig um den gleichen Teil aus der anderen Spule herausfährt, so daß in beiden Spulen eine gegensinnige Induktion erzeugt wird. Mit der Summe aus den in beiden Spulen erzeugten Spannungen läßt sich ein um den Nullpunkt variierendes, lineares Ausgangssignal erzeugen, welches proportional zum zurückgelegten Weg des Kerns ist.

Ferner wird in der oben genannten Literatur das Prinzip eines Differentialtransformators beschrieben, wobei drei hintereinander angeordnete Spulen einen gemeinsamen Eisenkern aufweisen. Dabei ist der Eisenkern länger als die in der Mitte angeordnete Spule und reicht zu beiden Seiten halb in die beiden äußeren Spulen hinein. Die mittlere der drei Spulen wird mit einer Erreger-Wechselspannung gespeist. Auch hier bewirkt eine Verschiebung des Eisenkerns eine Änderung der gegensinnig induzierten Spannungen in den äußeren beiden Spulen, deren Summe um einen Nullpunkt variiert und proportional zum verfahrenen Weg des Kerns ist.

Aus der Patentschrift FR 2 364 432 ist eine induktiv arbeitende Vorrichtung zur Positionsanzeige von beweglichen Teilen bekannt. Diese Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer mit Wechselstrom versorgten Primärspule und einer mit dieser induktiv gekoppelten, innerhalb der Primärspule angeordneten Sekundärspule. Die radial ineinander verschachtelten Spulen sind hier erfindungsgemäß in Form von einzelnen Teilspulen in axialer Richtung hintereinander angeordnet, so daß durch einen in die Spulen einfahrbaren Kern ein stufenartiges Signal erzeugt wird.

Derartige Vorrichtungen sind jedoch nur unzureichend oder mit entsprechend hohem Aufwand gegen elektromagnetische Streufelder geschützt. Insbesondere in elektromagnetischen Schaltgeräten treten solche Streufelder jedoch in besonders intensiven Maße auf. Da derartige Geräte im Wettbewerb einem hohen Preisdruck unterliegen wird nach einer kostengünstigen Lösung gesucht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung beziehungsweise ein Schaltgerät mit einer derartigen Sensorvorrichtung zu schaffen, wobei diese bei einfachstem Aufbau zuverlässig und möglichst verschleißarm arbeitet, magnetische Streufelder weitestgehend eliminiert und so stets eine genaue induktive Messung von ortsbeweglichen Teilen gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 sowie durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst. Die Sensorvorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Erregerspule, mindestens einer mit dieser induktiv gekoppelten Meßspule, sowie einer - eine vorzugsweise hochfrequente Wechselspannung liefernde - Spannungsquelle und erfindungsgemäß einer Kompensationsspule, die aufgrund ihrer räumlichen Anordnung in einem definierten Verhältnis eventuell auftretenden magnetischen Streufeldern ausgesetzt ist. Dabei sind die einzelnen Spulen stationär in der Sensorvorrichtung angeordnet und einerseits der Erreger- und der Meßspule, sowie andererseits der Kompensationsspule jeweils ein beweglicher, ferromagnetischer Kern zugeordnet, wobei der eine Kern die Erregerspule stets vollständig und die Meßspule veränderlich, bereichsweise durchdringt und der andere Kern die Kompensationsspule veränderlich, bereichsweise durchdringt.

Das erfindungsgemäße elektromagnetische Schaltgerät weist vorzugsweise einen symmetrisch aufgebauten Magnetantrieb auf, so daß die Meß- und Kompensationsspule der in das Schaltgerät integrierten Sensorvorrichtung zur induktiven Wegmessung ebenfalls derart symmetrisch angeordnet sind, daß sie zu gleichen Teilen den magnetischen Streufeldern des Magnetantriebs ausgesetzt sind. Indem nun die Signale von Meß- und Kompensationsspule einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung zugeführt und von dieser ausgewertet werden, wird zuverlässig der unerwünschte, verfälschende Einfluß der magnetischen Streufelder auf das Meßergebnis der Meßspule kompensiert.

Weitere Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung enthalten. Es zeigen:

Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Magnetantriebs für das erfindungsgemäße Schaltgeräte in einer möglichen Ausführungsform (geöffneter Kontaktzustand), und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Magnetantriebs für das erfindungsgemäße Schaltgerät gemäß Fig. 2 (geschlossener Kontaktzustand).

In der Fig. 1 ist die erfindungsgemaße Sensorvorrichtung zur induktiven Wegmessung von Schaltkontakten elektromagnetischer Schaltgeräte in schematischer Weise dargestellt. Die Sensorvorrichtung besteht im wesentlichen aus der Anordnung einer Erregerspule 2 mindestens einer Meßspule 4 sowie erfindungsgemäß mindestens einer Kompensationsspule 6. Die Spulen 2, 4, 6 sind in der Sensorvorrichtung stationär angeordnet, wobei einerseits der Erregerspule 2 und der Meßspule 4 ein erster beweglicher, ferromagnetischer Kern 8 sowie andererseits der Kompensationsspule 6 ein zweiter beweglicher, ferromagnetischer Kern 10 zugeordnet ist. Dabei sind die Kerne 8, 10 vorzugsweise als Eisenkerne ausgebildet und die Spulen 2, 4, 6 derart zueinander angeordnet, daß die Erregerspule 2 stets - das heißt in jeder Position des Kerns 8 - vollständig vom ersten Kern 8 durchdrungen ist und die, in Bewegungsrichtung des Kerns 8 gesehen, hinter der Erregerspule 2 angeordnete Meßspule 4 vom ersten Kern 8 veränderlich, bereichsweise - in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des Kerns 8 - von diesem durchdrungen ist. Analog hierzu wird die Kompensationsspule 6 von dem zweiten Kern 10 ebenfalls veränderlich bereichsweise von diesem durchdrungen. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind Meß- und Kompensationsspule 4, 6 sowie die beiden Kerne 8, 10 im wesentlichen identisch ausgebildet (gleiche technische Daten), so daß beide Spulen 4, 6 bei entsprechender räumlicher Anordnung in gleichem Maße magnetischen Streufeldern ausgesetzt sind, im Bezug auf die Streufelder identische Meßwerte liefern und somit eine problemlose Bereinigung der Meßwerte erfolgt. Hierfür sind Meß- und Kompensationsspule (4, 6) vorzugsweise mit entgegengesetztem Wicklungssinn elektrisch in Reihe geschaltet. Insbesondere bei unterschiedlicher Auslegung der Spulen (4, 6) ist es vorgesehen diese nicht in Reihe zu schalten sondern jede der Spulen mit ihren beiden Anschlüssen seperat an eine Auswerteeinheit anzuschließen. Durch die an den Kernen 8, 10 angeordneten Doppelpfeile soll lediglich angedeutet werden, daß es sich um bewegliche und in der Bewegung voneinander abhängige Teile handelt.

Da die erfindungsgemäße Anordnung insbesondere in gleichstrombetätigten elektromagnetischen Schaltgeräten ihre Anwendung findet, die Erregerspule 2 aber vorzugsweise von einer Spannungsquelle 12, die eine hochfrequente Wechselspannung liefert, versorgt wird, weist die Sensorvorrichtung im dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich einen Sinusgenerator 14 auf. Zweckmäßiger Weise ist dem Sinusgenerator 14 noch ein Treiber 16 nachgeschaltet, welcher den Sinusgenerator vor induktiver Last schützt. Zur Auswertung der Meßsignale ist der Spulenanordnung noch ein Impedanzwandler 17 sowie eine Auswerteeinrichtung 18 nachgeschaltet. Der Impedanzwandler 17 verhindert den Einbruch der Spannung an der Meßspule 4, während der Auswerteeinrichtung 18 ein Sinussignal zugeführt wird, dessen Amplitude proportional zu den Schaltwegen der Schaltkontakte ist. In der dargestellten Ausführung besteht diese Auswerteeinrichtung 18 vereinfacht aus einem die Meßwerte aufnehmenden Scheitelwertmesser 20 und einem diesem nachgeschalteten Operationsverstärker 22.

In den Fig. 2 und 3 ist ein Magnetantrieb 24 mit einer Kontaktträgereinrichtung 26 und einer induktiven Meßeinrichtung 28 eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Schaltgerätes in prinzipieller Darstellung gezeigt. Der Magnetantrieb 24 ist vorzugsweise symmetrisch ausgebildet und besteht im wesentlichen aus einem insbesondere E-förmigen Magnetkern 30, einer um den mittleren Schenkel des Magnetkerns 30 angeordneten Antriebsspule 32 und einem ebenfalls E-förmigen Magnetanker 34. Dabei ist am Magnetanker 34 im Bereich seines mittleren Schenkels auf seiner dem Magnetkern 30 abgekehrten Seite die Kontaktträgereinrichtung 26 angeordnet. Der Magnetkern 30 und der Magnetanker 34 können natürlich auch irgendeine eine andere Form, zum Beispiel eine U-Form oder dergleichen, aufweisen. In der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltgerätes weist die aus einem stabförmigen Element 36 und einem an diesem federnd gelagerten Kontaktelement 38 bestehenden Kontaktträgereinrichtung 26 ferner noch die Meßeinrichtung 28 auf. Die Meßeinrichtung 28 ist magnetisch und elektrisch isoliert von der Kontaktträgereinrichtung 26 über ein Trägerelement 40 an dieser befestigt. Dabei besteht die Meßeinrichtung 28 im wesentlichen aus Erreger-, Meß- und Kompensationsspule 2, 4, 6 sowie den diesen Spulen zugeordneten ferromagnatischen Kernen 8, 10. die beiden ferromagnetischen Kerne 8, 10 sind insbesondere derart auf dem Trägerelement 40 angeordnet, daß sie sich im wesentlichen parallel zu dem stabförmigen Element 26 erstrecken. Die Spulen 2, 4, 6 der Meßeinrichtung 28 sind in dem Schaltgerät stationär angeordnet und räumlich derart verteilt, daß analog zu der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung gemäß Fig. 1 der erste Kern 8 die Erregerspule 2 in jeder Position der Kontaktträgereinrichtung 26 vollständig sowie im Anschluß daran die Meßspule 4 in Abhängigkeit der Position der Kontaktträgereinrichtung 26 veränderlich, bereichsweise durchdringt. In der bevorzugten Ausführungsform sind Meß- und Kompensationsspule 4, 6 sowie die zugehörigen Kerne 8, 10 derart ausgelegt und räumlich angeordnet, daß Meß- und Kompensationsspule 4, 6 zu gleichen Teilen dem Einfluß von magnetischen Streufeldern ausgesetzt sind und im Bezug auf diese im wesentlichen identische Signale liefern, so daß der Streufeldeinfluß in der Auswerteeinrichtung 18 berücksichtigt und das Meßergebnis entsprechend bereinigt wird. Um zu verdeutlichen, daß die Erregerspule 2 stets und die Meßspule 4 und die Kompensationsspule 6 jeweils veränderlich, bereichsweise durchdrungen werden, sind die beiden Endpositionen (offen/Fig. 2; geschlossen/Fig. 3) der Schaltkontakte dargestellt worden. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So ist zum Beispiel auch eine Ausführungsform der Sensorvorrichtung oder des Schaltgerätes denkbar, in der die Meßspule 4 und die Kompensationsspule 6 unterschiedlich ausgelegt und in unterschiedlich starken magnetischen Streufeldern positioniert sind. Ferner ist eine Ausführung denkbar, in der die Kompensationsspule 6 und der dieser Spule zugeordnete Kern 10 auswechselbar ausgebildet sind, so daß die Sensorvorrichtung beziehungsweise das Schaltgerät an unterschiedlich starke Streufelder anpaßbar sind.

Claims (12)

1. Sensorvorrichtung zur induktiven Wegmessung von elektrischen Schaltkontakten in elektromagnetischen Schaltgeräten, mit einer Spannungsquelle (12) zur Erzeugung einer Wechselspannung, mindestens einer mit der Wechselspannung beaufschlagten Erregerspule (2) und mindestens einer mit dieser induktiv gekoppelten Meßspule (4) und einem beweglichen, die beiden Spulen (2, 4) zumindest bereichsweise durchdringenden Kern (8) zur Erfassung eines sich in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg der Schaltkontakte ergebenden elektrischen Signals, gekennzeichnet durch eine Kompensationsspule (6), die ebenfalls einen in Abhängigkeit von der Bewegung der Schaltkontakte sich bewegenden und die Kompensationsspule (6) zumindest bereichsweise durchdringenden Kern (10) aufweist und die ferner aufgrund ihrer räumlichen Anordnung in definiertem Verhältnis gegebenenfalls auftretenden magnetischen Streufeldern ausgesetzt ist wie die Meßspule (4).

2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Erreger-, Meß- und Kompensationsspule (2, 4, 6) als stationäre Teile der Sensorvorrichtung ausgebildet sind.

3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerspule (2) sowie der Meßspule (4) der eine bewegliche, ferromagnetische Kern (8) zugeordnet ist und der Kompensationsspule (6) der andere bewegliche, ferromagnetische Kern (10) zugeordnet ist derart, daß die Erregerspule (2) stets vollständig von dem ersten Kern (8) durchdrungen ist und die Meß- und die Kompensationsspule (4, 6) jeweils veränderlich bereichsweise von dem jeweils zugeordneten Kern (8, 10) durchdrungen sind.

4. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Meß- und Kompensationsspule (4, 6) derart aufgebaut sind, daß sie die gleichen technischen Daten aufweisen und Meß- und Kompensationsspule (4, 6), sowie die ihnen zugeordneten Kerne (8, 10) räumlich derart angeordnet sind, daß jede der Spulen (4, 6) von dem jeweils zugeordneten Kern (8, 10) zu jedem Zeitpunkt des Meßvorgangs zu gleichen Teilen durchdrungen ist.

5. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsspule (6) räumlich derart angeordnet ist, daß sie in gleichem Maße gegebenenfalls auftretenden magnetischen Streufeldern ausgesetzt ist wie die Meßspule (4).

6. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung (18) der zumindest die elektrischen Signale von Meß- und Kompensationsspule (4, 6) zugeführt werden.

7. Sensorvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen der Auswerteeinrichtung (18) vorgeschalteten Impedanzwandler (17), der der Stabilisierung der Spannung an der Meßspule (2) dient.

8. Elektromagnetisches Schaltgerät mit einer Sensorvorrichtung zur induktiven Wegmessung von Schaltkontakten,

• - mit einem symmetrisch aufgebauten Magnetantrieb (24)
• - und einer an dem Magnetanker (34) des Magnetantriebs (24) befestigten Kontaktträgereinrichtung (26),
• - wobei die Kontaktträgereinrichtung (26) mit zwei ferromagnetischen Kernen (8, 10) verbunden ist,
• - in dem Schaltgerät mindestens eine Erregerspule (2), eine Meßspule (4) und eine Kompensationsspule (6) stationär angeordnet sind,
• - der Erregerspule (2) und der Meßspule (4) der eine bewegliche, ferromagnetische Kern (8) zugeordnet ist, der Kompensationsspule (6) der andere bewegliche, ferromagnetische Kern (10) zugeordnet ist derart, daß die Erregerspule (2) stets vollständig von dem ersten Kern (8) durchdrungen ist und die Meßspule (2) und die Kompensationsspule (4) jeweils veränderlich, bereichsweise von dem jeweils zugeordneten Kern (8, 10) durchdrungen sind.

9. Elektromagnetisches Schaltgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Meß- und Kompensationsspule (4, 6) derart aufgebaut sind, daß sie die gleichen technischen Daten aufweisen und Meß- und Kompensationsspule (4, 6), sowie die ihnen zugeordneten Kerne (8, 10) räumlich derart angeordnet sind, daß jede der Spulen (4, 6) von dem jeweils zugeordneten Kern (8, 10) zu jedem Zeitpunkt des Meßvorgangs zu gleichen Teilen durchdrungen ist.

10. Elektromagnetisches Schaltgerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß Meß- und Kompensationsspule (4, 6) räumlich derart angeordnet sind, daß sie zu gleichen Teilen auftretenden magnetischen Streufeldern ausgesetzt sind.

11. Elektromagnetisches Schaltgerät nach einem der Ansprüche 8-10, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung (18) der zumindest die elektrischen Signale von Meß- und Kompensationsspule (4, 6) zugeführt werden.

12. Elektromagnetisches Schaltgerät nach einem der Ansprüche 8-11, gekennzeichnet durch einen der Auswerteeinrichtung (18) vorgeschalteten Impedanzwandler (17), der der Stabilisierung der Spannung an der Meßspule 2 dient.