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Die Erfindung betrifft einen Messwertwandler für die Wegmessung, mit mindestens einer in einem Wech- selstrom-Messkreis liegenden Messspule, auf die vom Messwert abhängige, durch das Spulenfeld induzierte Wirbelströme rückwirken.
Solche Wandler oder Geber werden in neuerer Zeit in stets steigendem Masse verwendet, wo die gewünschte Änderung einer elektrischen Eigenschaft durch Interaktion des Spulensystems mit einem Bauelement, in dem sich Wirbelströme ausbilden können, erzieltwird. Dieses Bauelement muss leitend, jedoch nicht ferromagnetisch sein.
Das Prinzip dieser Geber beruht darin, dass man im magnetischen Feld der Spule ein Konstrultionse1ement aus einem leitenden Medium anordnet. In diesem Medium werden Wirbelströme induziert, die ihrerseits ein Gegenfeld aufbauen, das auf die Spule rückwirkt und somit eine Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften verursacht. Diese Art Messwertwandler bezeichnet man zweckmässigerweise als Wirbelstromgeber.
Sowohl bei den klassischen induktiven als auch bei den Wirbelstromgebern weist das Messspulensystem eine nicht zu vernachlässigende ohmsche Komponente auf. Das bedeutet, dass man bei den gebräuchlichen Schaltungen, die meist eine Brückenschaltung oder eine symmetrische Spannungsteileranordnung darstellen, sowohl die imaginäre (induktive) als auch die reelle (ohmsche) Komponente der Impedanz des Messspulensystems abgleichen muss. Eine weitere, physikalisch bedingte Eigenschaft dieser Geber ist die Temperaturabhängigkeit der Impedanz, die sich auf beide Komponenten erstreckt und die dadurch hervorgerufen wird, dass Permeabilität und Leitfähigkeit der benutzten Werkstoffe temperaturabhängig sind. Bei den ferromagnetischen Werkstoffen ist die Temperaturabhängigkeit ihrer Eigenschaften sogar relativ stark.
Will man diese Temperaturabhängigkeit durch geeignete Massnahmen kompensieren, muss sich eine exakte Kompensation grundsätzlich auf beide Komponenten der Impedanz erstrecken. Dann werden die Verhältnisse oft sehr kompliziert und eine gut wirksame Kompensation stösst auf grosse technische Schwierigkeiten. Darin ist ein Grund zu suchen, dass induktive Geber, wo wir jetzt die Wirbelstromgeber miteinbeziehen müssen, oft als zu temperaturempfindlichfür Präzisionsmes- sungen abgelehnt werden (s. z. B. Ch. Rohrbach, Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Grössen, Düsseldorf [1967], S. 451, Abschnitt G2. 3. 3. 1, sowie S. 176 - Allgemeine Beurteilung).
Es ist zwar eine Schaltung mit einer Messspule in einer Brückenschaltung bekannt, wobei die Brücke ausser der Messspule nur ohmsche Elemente (DL-PS 37 021) aufweist. Die Schaltung ist durch einen oder zwei temperaturabhängige Widerstände gegen Temperatureinflüsse kompensiert. Diese Schaltung, welche die Änderungen der induktiven Komponente der Messspule einfach unbeachtet lässt, kann niemals hohe Anforderungen an die Genauigkeit erfüllen, wenn nicht, wie in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, eine Kompensationsspule vor gesehen wird. Ausserdem ist es erforderlich, zu der oder den Spulen Widerstände in Serie zu schalten, was die Empfindlichkeit herabsetzt.
Erfindungsgemäss wird nun angestrebt, Messwandler auf Basis des Wirbe1str nprinzips in einem einfachen, nur ohmsche Elemente aufweisenden Messstromkreis verwenden zu können und doch sehr hohe Genauigkeit zu erzielen.
Der erfindungsgemässe Messwandler ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen mit der Messspule fest gekoppelten Leiter aufweist, so dass durch die in diesem induzierten Sekundär-Ströme eine vorgegebene Herabsetzung der induktiven Komponente der Spulenimpedanz auf einen, verglichen mit der ohmschen Komponente der Spu-
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sche Spulenimpedanz hat zur Folge, dass der Abgleich in Brücken- und symmetrischen Spannungsteileranordnungen einfach ist und, was als hervorstechendstes Merkmal anzusehen ist, eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit sehr einfach durchzuführen ist. In vielen Fällen ergibt sich eine besonders einfache Konstruktion des Gebers. Auch ein Abgleich auf identische Empfindlichkeit ist mittels Widerständen einfach möglich.
Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Vorteil ist der, dass man durch geeignete Materialauswahl ganz generell ein besseres Temperaturverhalten als bei den klassischen Gebern erreichen kann, wodurch die Kompensationsmassnahmen noch mehr vereinfacht werden. Die Messspule kann ohne Serienwiderstand den einen Zweig einer Messbrücke bilden, in deren andern Zweigen Widerstände liegen.
Vorzugsweise wird der mit der Spule unveränderlich gekoppelte Leiter als Kurzschlussleiter oder Abschirmung, z. B. als ein die Messspule umgebendes Rohr bzw. als leitender Spulenkörper, ausgebildet, doch ist es auch möglich, als Leiter eine zweite Spule vorzusehen, die mit der Messspule transformatorisch gekoppelt und mit einem Widerstand belastet ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, die an Hand der Fig. 1 bis 10 verschiedene Ausführungsbeispiele erläutert ; es zeigt Fig. 1 den physikalischen Mechanismus der Interaktion der Gegenfelder, hervorgerufen durch Wirbelströme, die durch das ursprüngliche Magnetfeld der Spule in zwei leitenden Medien ausgelöst werden, Fig. 2 eine vereinfachte Illustration zur Erläuterung des"Abschirm- effektes", aus der die Arbeitsweise der nach diesem Prinzip aufgebauten Messwandler ersichtlich ist, Fig. 3 das Prinzip der Realisierung der Anordnung nebst Massnahmen zur Kompensation der Temperaturempfindlichkeit, Fig. 4 die Einschaltung der Messspule und der Kompensationswiderstände in eine Brückenschaltung, Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau eines flachen Gebers für Langwegmessungen, Fig.
6 einen aus dieser Form abgeleiteten Drehwinkelgeber, Fig. 7 einen aus der Form nach Fig. 5 hervorgehenden Messwertaufnehmer für sehr kleine Ver-
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schiebungswege, Fig. 9 die entsprechende Form eines asymmetrischen Tauchankergebers, der zur Messung gro- sser Verschiebungswege geeignet ist, Fig. 10 die Umkehrung des in Fig. 9 dargestellten Prinzips der Wegmessung, die ebenfalls als rotationssymmetrische Realisierung der in Fig. 5 dargestellten flachen Bauweise aufgefasst werden kann.
Eine Abschirmung beeinflusst die Impedanz einer Spule. Das magnetische Feld der Spule lost in der Abschirmung Wirbelströme aus, die ihrerseits wieder ein Magnetfeld aufbauen, ein Gegenfeld, das auf das erregende abschwächend einwirkt, eine physikalische Tatsache, die durch das Lenz'sehe Gesetz ausgedrUckt wird.
Die Induktivität der Spule wird also durch die Abschirmung verkleinert. Es ist allerdings zu bemerken, dass bei Abschirmungen aus einem ferromagnetischen Material der entgegengesetzte Effekt infolge der Permeabilität des Schirmmaterials, die sich auf die Feldausbildung um die Messspule auswirkt, eintreten kann. Da das für die Abschirmung benutzte Material einen bestimmten Widerstand aufweist, verursachen die Wirbelströme nach dem Joule'sehen Gesetz einen Energieverlust, der sich dahingehend auswirken muss, dass sich die ohmsche Komponente der Impedanz der Messspule vergrössert.
Man kann die Verhältnisse sehr anschaulich und einfach qualitativ auf folgende Weise darstellen :
Die Anordnung einer Spule, die mit einem Schirmzylinder umgeben ist bzw. allgemein ausgedrückt, die Anordnung einer Spule, in deren Magnetfeld sich ein leitendes Medium befindet, entspricht dem Aufbau eines Transformators. Die Belastung dieses Transformators bildet der Eigenwiderstand des leitenden Mediums. Das leitende Medium kann man als die mit der Spule, die eine Primärwicklung darstellt, verkoppelte Sekundärwicklung ansehen. Dann kann man den gesetzmässigen Zusammenhang zwischen Belastung und Druckwirkung durch die Transformatorgleichungen ausdrücken.
Für die Eingangsimpedanz der Spule gilt die Beziehung
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Es bedeuten Lie L2 die Induktivitäten von Spule und dem leitenden Medium R, R die Wirkkomponente der Spule und der
Eigenwiderstand des leitenden Mediums k der Kopplungsfaktor zwischen Spule und leitendem Medium Nach einer einfachen Rechnung ergibt sich aus der Formel (1) der Ausdruck
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Aus dem Ausdruck (2) kann man deutlich die Verkleinerung der Induktivität und Vergrösserung der ohm - sehen Komponente erkennen.
Femer ist klar ersichtlich, dass man durch eine geeignete geometrische Anordnung sowie durch eine zweckmässige Wahl der Werkstoffe die Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Spule erheblich betonen kann, so dass es naheliegend erscheint, die Verhältnisse so zu gestalten, dass der Wert der induktiven Komponente gegenüber dem der ohmschen Komponente vernachlässigbar klein wird.
Erfindungsgemäss befinden sich im magnetischen Feld der Spule zwei leitende Medien, deren gegenseitige Lage durch die zu messende Grösse verändert wird. Es tritt dann für die theoretische Betrachtung der Fall einer "Doppelabschirmung"ein. Die Interaktion zwischen diesen beiden Medien kann man auf folgende Weise illustrieren, s. dazu Fig. l :
Im Magnetfeld einer Spule, mathematisch ausgedrückt durch einen magnetischen Dipol, befinden sich die Medien--1 und 2--, die in Interaktion treten. Das durch die Spule hervorgerufene Magnetfeld erzeugt durch Wir-
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Rückwirkungsfeld, dessen Intensitätdurch einen sogenannten"Rückwilkungs-handelt, wobei wir als Innenseite die der Spule zugekehrte Seite auffassen wollen.
Es wird also an der inneren
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was der RuckwirkungsfaktorWn ausdrucken soll. Der übrige Teil durchdringt das Medium --2--, geschwächt durch den Schirmfaktor Q. Das an der Innenwand des Mediums --2-- reflektierte Feld trifft auf die Aussenwand des Mediums --1--, wobei wieder ein Teil durch das Medium-l-hindurchgeht, ein Teil reflektiert wird und zur Innenseite des Mediums --2-- zurückgelangt. So wiederholt sich immer das gleiche Spiel. Setzt man als erregendes Feld ein Dipolfeld an-und das kann man in den meisten Fällen - sind alle von innen nach aussen strebenden Felder Dipolfelder, und die nach innen gerichteten Felder sind homogen.
Die nach aussen reflektierten Anteile werden durch einen sogenannten "äusseren Räckwirkungsfaktor" definiert, der durch den In-
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worin bedeuten :
Ql Schirmfaktor des Mediums --1--
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Da die Rilckwirkungsfaktoren der beiden Medien und 2-7-von ihrer Orientierung zur Spule, also anders ausgedrückt, von der Geometrie der Anordnung abhängen, muss zwangsläufig eine gegenseitige Verschiebung der beiden Medien eine Änderung des Gesamtrückwirkungsfaktors bedeuten und damit ebenfalls eine Änderung der Impedanz der Spule. Erfindungsgemäss wird angestrebt, dass durch eine zweckentsprechende Wahl der Abmessungen die induktive Komponente der Impedanz gegenüber der resistiven Komponente vernachlässigbar ist, was im wesentlichen durch das Medium-l-erreicht wird, das bei der technischen AusfUhrung der Messwandler als Schutzhülle der Spule ausgebildet werden kann.
Das Medium --2-- verursacht dann in der Regel praktisch nur eine Änderung des Wertes der resistiven Komponente in dem Sinne, dass diese bei zunehmendem Messwert kleiner wird. Man kann die Verhältnisse sehr anschaulich noch auf folgende Weise erläutern, s. Fig. 2 :
Eine Messspule --3-- soll die Länge l haben. Die Abschirmung --4-- wird durch ein Medium gebildet,
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Ausdruck
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ansetzen. Die Widerstandszunahme ist eine lineare Funktion der Längen X und l-\.
Es erhebt sich nun die Frage der Temperaturkompensation der Anordnung. Im wesentlichen wird die Temperaturabhängigkeit der Impedanz des Gebers durch folgende Ursachen hervorgerufen :
1. Temperaturabhängigkeit des Leitwertes des Mediums --1--,
2. Temperaturabhängigkeit des Leitwertes des Mediums --2--,
3. Temperaturabhängigkeit des ohmschen Widerstandes der Spu- lenwicklung, also des Drahtwiderstandes,
4. bei Verwendung einer Eisenkernspule durch Temperaturab- hängigkeit der Permeabilität und des Leitwertes des Kernwerkstoffes.
Da der spezifische Widerstand metallischer Medien mit steigender Temperatur zunimmt, äussert sich die Temperaturabhängigkeit des Messspulensystems in dem Sinne, dass der Wert der ohmschen Komponente mit der Temperatur zunimmt. Eine Kompensation wird dann in der Weise durchgeführt, dass man an geeigneten Stellen an den Medien --1 und 2-- sowie am Kern der Spule, falls ein solcher benutzt wird, temperaturabhängige Widerstände anbringt, die in entsprechender Weise in die Schaltung eingefügt werden, wie an einem in Fig. 3 schematisch dargestellten Beispiel erklärt werden soll.
Ein Messwerta@fnehmer besteht aus einer Spule --3-- mit einem ferromagnetischen Kern-5-. Im Magnetfeld dieses Spulensystems sind die beiden Medien --1 und 2-- angeordnet, deren gegenseitige Lage durch die zu messende Grösse beeinflusst wird, was dadurch ausgedrückt werden soll, dass sich das Medium --2-- gegenüber dem Medium-l-in Pfeilrichtung verschieben kann. Es handelt sich also um eine Wegmessung, wo-
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bei die Verschiebung beispielsweise durch Einfluss einer Kraft auf einen Kraftmessbügel verursacht wird.
Die Verhältnisse, die bei einer technischen Ausführung im wesentlichen von der Geometrie der Anordnung und den benutzten Werkstoffen abhängen, werden so gewählt, dass man die induktive Komponente gegenüber der ohmschen vernachlässigen kann, so dass der Messwertaufnehmer also ein Ohmsches Element darstellt. Mit zunehmender Temperatur steigt der Widerstand des Gebers, der zwischen den Klemmen --6 und 7-- gemessen wird. Zur Kompensation bringt man nun am Kern --5-- und an den Medien-l und 2-- die temperaturabhängigen Widerstände --8, 9 und 10-- mit den Anschlüssen-11 bis 12,13 bis 14 und 15 bis 16-- an, die man beispielsweise mit Nickeldraht auf Kunststoffolien wickelt und direkt auf die Elemente-l, 2 und 5-aufklebt.
Es ist nun noch zu beachten, dass sich die Temperaturabhängigkeit ebenfalls auf die Empfindlichkeit des Gebers erstreckt, wobei unter Empfindlichkeit das Verhältnis der maximalen Widerstandsänderung des Systems zur maximalen gegenseitigen Positionsänderung der beiden Medien-l und 2--, hervorgerufen durch die zu messende Grösse, verstanden werden soll.
In der Regel wird die Empfindlichkeit mit zunehmender Temperatur kleiner, u. zw. üblicherweise in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums --2--, also bildlich gesprochen, in Abhängigkeit von der Temperatur des"äusseren"Mediums. Man wählt dann zweckmässigerweise zur Kompensation einen Widerstand mit negativem Temperaturbeiwert (NTC-Widerstand), der im entsprechenden Sinne in die elektrische Anordnung eingeschaltet wird.
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den einen Zweig, die Schaltelemente --8, 9,18 und 27-- den zweiten Zweig eines Brückenarmes. Der zweite
Brückenarm wird durch die Widerstände --19 und 20-gebildet. Laut Grundgedanken der Erfindung ist die induktive Komponente der Messspule vernachlässigbar klein gegenüber der ohmschen Komponente (zirka 10 bis 20 mal).
Sollte aus irgendwelchen Gründen eine weitere Unterdrückung der induktiven Komponente wünschenswert erscheinen, kann dies durch den Hilfskondensator --17--, dessen Wert in keiner Weise kritisch ist, erreicht werden. Die Widerstände --8 und 9-- sind die Kompensationswiderstände. Um den gewünschten Wert des Widerstandes des zweiten Brückenzweiges zu erreichen, wird noch der Widerstand --18-- zugeschaltet, Die Werte dieser Widerstände sind so gewählt, dass sich der gewünschte Temperaturkoeffizient des zweiten Brückenzweiges ergibt, der gleich dem des Messspulensystems sein muss. Das Messspulensystem besitzt eine gewisse Kapazität gegen Erde, die im zweiten Brückenzweig durch den Zusatzkondensator --27-- ausgeglichen wird.
Der die Kompensation der temperaturabhängigen Empfindlichkeitsänderung kompensierende, am Medium --2-- befestigte Widerstand --10-- ist zusammen mit den zur Einstellung des erforderlichen Temperaturkoeffizienten dienenden Hilfswiderständen --21 und 22-- in die Speisung der Brückenschaltung, die an den Klemmen --23 und 24-angeschlossen wird, eingeschaltet. Das Messsignal wird an den Klemmen --25 und 26-- abgenommen.
Die Temperaturunabhängigkeit des Wicklungswiderstandes der Spule --3-- kann man durch Verwendung eines Widerstandsdrahtes erreichen. In Fig. 6 ist eine Ausführungsform eines Gebers zur Messung grösserer Verschiebungen bis zu einigen Dezimetern dargestellt. Der Geber ist in Flachbauweise ausgeführt. Sein Gehäuse stellt das Medium-l-dar. Durch Verschiebung in Pfeilrichtung kommt er mehr oder weniger zur Deckung mit dem Medium --2--, das durch einen Maschinenteil dargestellt werden kann. Der Geber kann beispielsweise in eine Spalte eingeschoben werden.
Der Abstand d der beiden Medien ist konstant, Die Spule --3-- ist auf einen ferromagnetischen Flachkem-5-gewickelt. Man benutzt hier zweckmässig einen Werkstoff auf Ferritbasis, der sich durch einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Permeabilität (grössenordnungsmässig zirka 10-6.... 10-5) und einen hohen spezifischen Widerstand (grössenordnungsmässig zirka 105 Ohm. cm) auszeichnet. In diesem Fall ist die Temperaturabhängigkeit, die durch den Kern verursacht wird, praktisch vernachlässigbar.
Für das Medium --1--, das die Hülle des Gebers darstellt, wird man ein nicht magnetisches Material mit möglichst hohem spezifischem Widerstand und kleinem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes wählen (grössenordnungsmässig 10-5), wie beispielsweise eine Ni-Cr-Fe-Legierung, wie sie häufig im chemischen Apparatebau Verwendung findet. In vielen Fällen erübrigt sich jetzt auch hier eine Kompensation. Wenn durch das Medium --2-- eine Temperaturabhängigkeit verursacht wird, muss an einer geeigneten Stelle der Widerstand --10-- angebracht werden, der entsprechend der Fig. 4 in die elektrische Anordnung eingeschaltet wird.
In Fig. 6 wird ein Messwertwandler für Drehbewegungen dargestellt, der direkt aus dem Flachgeber in Fig. 5 hervorgeht. Die mit Widerstandsdraht auf einen ferromagnetischen Kern gewickelte, segmentförmig gebogene Spule befindet sich innerhalb eines das Medium --1-- darstellenden Gehäuses. Vor dieses Gehäuse wird das segmentförmige Medium --2-- geschoben, das um eine Achse --32-- drehbar gelagert ist.
Eine weitere Variante, die aus dem in Fig. 5 dargestellten Prinzip eines Flachgebm hervorgeht, ist in Fig. 7 dargestellt. Diese Anordnung ist zur Messung von kleinen und kleinsten Verschiebungen geeignet. Die Spule
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Messsonde von der Oberfläche --29-- des Mediums --2-- ändert. Eine fallweise Kompensation der temperaturabhängigen Empfindlichkeitsänderung wird durch den Widerstand --10-- bewirkt.
Wie aus den Fig. 8 und 9 ersichtlich ist, können ebenfalls Geber in der Art der klassischen Tauchankergeber
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erstellt werden. Fig. 8 stellt einen Differentialgeber zur Messung mittlerer Verschiebungen bis zu einigen Millimetern dar. Das Medium --1-- wird als Spulenkörper ausgebildet, auf den die beiden symmetrisch angeordneten Spulen-3--aus Widerstandsdraht aufgewickelt werden. Das Medium --2-- ist der verschiebbare Kern mit den Zugstangen-30 und 31--. Für beide Medien wird man dasselbe Material mit hohem spezifischem Widerstand und kleinem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes verwenden. Fig. 9 zeigt die asymmetrische Variante dieses Gebers, die für längere Wege benutzt werden kann.
Wieder ist auf das als Spulenträger dienende Medium --1-- eine Spule --3-¯ aus Widerstandsdraht aufgewickelt. In dieses Spulensystem taucht das Medium --2--, das aus demselben Material besteht, ein. Dieser Geber ist eine direkte technische Realisierung des in Fig. 2 dargestellten vereinfachten"Abschirmprinzips". Der Geber ist von einer ferromagnetischen Hülle-5-- umgeben.
Gibt man dem in Fig. 5 dargestellten Flachgeber eine rotationssymmetrische Form, entsteht eine Variante, wie in Fig. 10 dargestellt ist. Auf einem ferromagnetischen Kern --5-- befindet sich eine mit Widerstandsdraht gewickelte Spule Dieses Spulensystem wird von dem Medium --1-- umschlossen und taucht in das Me- dium-2-ein. Für eine fallweise notwendige Korrektur der durch das Medium --2-- hervorgerufenen Temperaturabhängigkeit ist der Widerstand --10-- vorgesehen.
Es hat sich gezeigt, dass mit besonderem Vorteil der Leiter-l-aus Material niedriger Leitfähigkeit, z. B.
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im Falle der Fig. 10 in einem bestimmten Maschinenteil eine Bohrung vorgesehen, in welche die Messspule eindringt, kann diese Bohrung gegebenenfalls mit einem gut leitenden Mantel ausgekleidet werden.
Praktische Versuche haben z. B. ergeben, dass eine Spule, die ohne Beeinflussung durch die Leiter-l und 2-- eine ohmsche und induktive Impedanzkomponente von je etwa 100 Ohm aufweist, nach dem Anbringen des Leiters-l-eine ohmsche Komponente von rund 1000 Ohm und eine induktive Komponente der Impedanz von rund 40 bis 50 Ohm aufwies. Je nach Lage des Leiters --2--fiel die ohmsche Komponente bis auf rund 900 Ohm ab.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Messwertwandler für die Wegmessung, mit mindestens einer in einem Wechselstrom-Messkreis liegenden Messspule, auf die vom Messwert abhängige, durch das Spulenfeld induzierte Wirbelströme rückwirken und die in einen im übrigen nur olunsche Elemente aufweisendenMessstromkreist geschaltet ist, da dur c h ge ke n n- zeichnet, dass er einen mit der Messspule (3) fest gekoppelten Leiter (1) aufweist, so dass durch die in diesem induzierten Sekundär-Ströme eine vorgegebene Herabsetzung der induktiven Komponente der Spulenimpedanz auf einen, verglichen mit der ohmschen Komponente der Spulenimpedanz, derart geringen Wert erfolgt, dass die Spulenimpedanz praktisch ohmisch ist.
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The invention relates to a measured value converter for distance measurement, with at least one measuring coil located in an AC measuring circuit, on which eddy currents induced by the coil field and dependent on the measured value react.
Such transducers or transmitters are used to an ever increasing extent in recent times, where the desired change in an electrical property is achieved by interaction of the coil system with a component in which eddy currents can develop. This component must be conductive, but not ferromagnetic.
The principle of these transmitters is based on the fact that a construction element made of a conductive medium is placed in the magnetic field of the coil. Eddy currents are induced in this medium, which in turn build up an opposing field that reacts on the coil and thus causes a change in its electrical properties. This type of transducer is conveniently referred to as an eddy current transducer.
In both the classic inductive and eddy current sensors, the measuring coil system has a non-negligible ohmic component. This means that with the usual circuits, which mostly represent a bridge circuit or a symmetrical voltage divider arrangement, both the imaginary (inductive) and the real (ohmic) component of the impedance of the measuring coil system have to be adjusted. A further, physically determined property of these transmitters is the temperature dependence of the impedance, which extends to both components and which is caused by the fact that the permeability and conductivity of the materials used are temperature-dependent. In the case of ferromagnetic materials, the temperature dependence of their properties is even relatively strong.
If one wants to compensate for this temperature dependency through suitable measures, an exact compensation must basically extend to both components of the impedance. Then the situation often becomes very complicated and an effective compensation comes up against great technical difficulties. This is a reason to look for inductive encoders, where we now have to include eddy current encoders, are often rejected as too temperature-sensitive for precision measurements (see e.g. Ch. Rohrbach, Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Grössen, Düsseldorf [1967], p. 451, Section G2.3.3.1, and p. 176 - General Assessment).
A circuit with a measuring coil in a bridge circuit is known, the bridge only having ohmic elements apart from the measuring coil (DL-PS 37 021). The circuit is compensated for by one or two temperature-dependent resistors against temperature influences. This circuit, which simply ignores the changes in the inductive components of the measuring coil, can never meet high demands on accuracy unless, as provided in one exemplary embodiment, a compensation coil is not provided. In addition, it is necessary to connect resistors in series with the coil or coils, which reduces the sensitivity.
According to the invention, the aim is now to be able to use measurement transducers based on the Wirbe1str nprinciple in a simple measuring circuit which only has ohmic elements and yet to achieve very high accuracy.
The transducer according to the invention is characterized in that it has a conductor that is firmly coupled to the measuring coil, so that the secondary currents induced in it result in a predetermined reduction in the inductive component of the coil impedance to one compared to the ohmic component of the coil.
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The consequence of the cal coil impedance is that the adjustment in bridge and symmetrical voltage divider arrangements is simple and, what is to be regarded as the most prominent feature, compensation of the temperature dependence is very easy to carry out. In many cases, the encoder has a particularly simple construction. A comparison for identical sensitivity is also easily possible using resistors.
Another advantage, which should not be underestimated, is that by selecting the appropriate material, you can generally achieve a better temperature behavior than with classic encoders, which simplifies the compensation measures even more. Without a series resistance, the measuring coil can form one branch of a measuring bridge with resistors in the other branches.
The conductor, which is invariably coupled to the coil, is preferably used as a short-circuit conductor or shield, e.g. B. as a tube surrounding the measuring coil or as a conductive coil body, but it is also possible to provide a second coil as a conductor, which is coupled to the measuring coil in a transformer and loaded with a resistor.
Further details of the invention can be found in the following description, which explains various exemplary embodiments with reference to FIGS. 1 to 10; 1 shows the physical mechanism of the interaction of the opposing fields, caused by eddy currents that are triggered by the original magnetic field of the coil in two conductive media, FIG. 2 shows a simplified illustration to explain the "shielding effect" from which the mode of operation The transducer constructed according to this principle can be seen, Fig. 3 the principle of the implementation of the arrangement together with measures for compensating the temperature sensitivity, Fig. 4 the switching on of the measuring coil and the compensation resistors in a bridge circuit, Fig. 5 the basic structure of a flat transmitter for long-travel measurements , Fig.
6 shows a rotary encoder derived from this form, FIG. 7 shows a measured value pick-up for very small measurements, derived from the form according to FIG.
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displacement paths, FIG. 9 the corresponding shape of an asymmetrical plunger armature which is suitable for measuring large displacement paths, FIG. 10 the reversal of the principle of displacement measurement shown in FIG. 9, which is also a rotationally symmetrical implementation of the flat design shown in FIG can be understood.
Shielding affects the impedance of a coil. The magnetic field of the coil triggers eddy currents in the shielding, which in turn build up a magnetic field, an opposing field that has a weakening effect on the exciting one, a physical fact that is expressed by Lenz's law.
The inductance of the coil is therefore reduced by the shield. It should be noted, however, that with shields made of a ferromagnetic material, the opposite effect can occur due to the permeability of the shield material, which affects the field formation around the measuring coil. Since the material used for the shield has a certain resistance, the eddy currents cause an energy loss according to Joule's law, which must have the effect that the ohmic component of the impedance of the measuring coil increases.
The relationships can be represented very clearly and simply qualitatively in the following way:
The arrangement of a coil which is surrounded by an umbrella cylinder or, in general terms, the arrangement of a coil in whose magnetic field there is a conductive medium corresponds to the structure of a transformer. The load on this transformer is the inherent resistance of the conductive medium. The conductive medium can be seen as the secondary winding coupled to the coil, which is a primary winding. Then one can express the legal relationship between load and pressure effect using the transformer equations.
The relationship applies to the input impedance of the coil
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Lie L2 is the inductance of the coil and the conductive medium R, R is the active component of the coil and the
Intrinsic resistance of the conductive medium k the coupling factor between the coil and the conductive medium After a simple calculation, the expression results from formula (1)
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From the expression (2) one can clearly see the decrease of the inductance and the increase of the ohmic component.
Furthermore, it is clear that one can emphasize the change in the electrical properties of the coil considerably through a suitable geometric arrangement and through an appropriate choice of materials, so that it seems obvious to design the relationships so that the value of the inductive component compared to the the ohmic component becomes negligibly small.
According to the invention, there are two conductive media in the magnetic field of the coil, the mutual position of which is changed by the variable to be measured. The case of a "double shielding" then arises for the theoretical consideration. The interaction between these two media can be illustrated in the following way, s. in addition Fig. l:
In the magnetic field of a coil, expressed mathematically by a magnetic dipole, are the media - 1 and 2 - that interact. The magnetic field created by the coil is generated by
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Reaction field, the intensity of which acts through a so-called "reaction, where we want to understand the side facing the coil as the inside.
So it is on the inside
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what the reaction factor Wn should express. The remaining part penetrates the medium --2--, weakened by the shielding factor Q. The field reflected on the inner wall of the medium --2-- hits the outer wall of the medium --1--, whereby a part again passes through the medium -l-goes through, a part is reflected and gets back to the inside of the medium --2--. The same game is repeated over and over again. If a dipole field is used as the exciting field - and this is possible in most cases - all fields which strive from the inside out are dipole fields, and the fields directed inwards are homogeneous.
The outwardly reflected portions are defined by a so-called "external backing factor", which is defined by the inside
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where mean:
Ql shielding factor of the medium --1--
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Since the feedback factors of the two media and 2-7 depend on their orientation to the coil, in other words, on the geometry of the arrangement, a mutual displacement of the two media must inevitably mean a change in the total feedback factor and thus also a change in the impedance of the coil . The aim of the invention is to ensure that the inductive component of the impedance is negligible compared to the resistive component by an appropriate choice of dimensions, which is essentially achieved by the medium, which can be designed as a protective cover for the coil in the technical design of the transducer.
The medium --2 - then usually only causes a change in the value of the resistive component in the sense that it becomes smaller as the measured value increases. The relationships can still be explained very clearly in the following way, s. Fig. 2:
A measuring coil --3-- should have the length l. The shielding --4-- is formed by a medium
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Expression
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apply. The increase in resistance is a linear function of the lengths X and l- \.
The question of temperature compensation of the arrangement now arises. The temperature dependence of the impedance of the encoder is essentially caused by the following causes:
1. Temperature dependence of the conductivity of the medium --1--,
2. Temperature dependence of the conductivity of the medium --2--,
3. Temperature dependence of the ohmic resistance of the coil winding, i.e. the wire resistance,
4. when using an iron core coil due to the temperature dependence of the permeability and the conductance of the core material.
Since the specific resistance of metallic media increases with increasing temperature, the temperature dependence of the measuring coil system manifests itself in the sense that the value of the ohmic component increases with temperature. A compensation is then carried out in such a way that temperature-dependent resistors are attached at suitable points on the media - 1 and 2 - and on the core of the coil, if one is used, which are inserted into the circuit in a corresponding manner, as is to be explained using an example shown schematically in FIG.
A transducer consists of a coil --3-- with a ferromagnetic core - 5-. The two media --1 and 2-- are arranged in the magnetic field of this coil system, the mutual position of which is influenced by the size to be measured, which is to be expressed by the fact that the medium --2-- is opposite the medium-l-in Arrow direction can move. It is therefore a distance measurement where-
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where the displacement is caused, for example, by the influence of a force on a load cell.
The ratios, which in a technical design essentially depend on the geometry of the arrangement and the materials used, are chosen so that the inductive component can be neglected compared to the ohmic component, so that the transducer represents an ohmic element. As the temperature rises, the resistance of the encoder, which is measured between terminals --6 and 7--, increases. To compensate, you now bring the temperature-dependent resistors --8, 9 and 10 - with the connections -11 to 12, 13 to 14 and 15 to 16- on the core --5-- and on the media -l and 2-- - on, which is wrapped, for example, with nickel wire on plastic films and glued directly onto elements 1, 2 and 5.
It should now be noted that the temperature dependency also extends to the sensitivity of the encoder, whereby under sensitivity the ratio of the maximum change in resistance of the system to the maximum mutual change in position of the two media-1 and 2 -, caused by the variable to be measured, should be understood.
As a rule, the sensitivity becomes smaller with increasing temperature, u. between usually depending on the temperature of the medium --2--, i.e. figuratively speaking, depending on the temperature of the "outer" medium. A resistor with a negative temperature coefficient (NTC resistor) is then expediently selected for compensation and is switched into the electrical arrangement in the corresponding sense.
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one branch, the switching elements --8, 9, 18 and 27 - the second branch of a bridge arm. The second
Bridge arm is formed by resistors --19 and 20-. According to the basic concept of the invention, the inductive component of the measuring coil is negligibly small compared to the ohmic component (approximately 10 to 20 times).
If, for whatever reason, a further suppression of the inductive component appears to be desirable, this can be achieved using the auxiliary capacitor --17--, the value of which is in no way critical. The resistors --8 and 9 - are the compensation resistors. In order to achieve the desired value of the resistance of the second bridge branch, the resistor --18-- is switched on. The values of these resistors are selected so that the desired temperature coefficient of the second bridge branch results, which must be the same as that of the measuring coil system. The measuring coil system has a certain capacitance to earth, which is balanced in the second branch of the bridge by the additional capacitor --27--.
The resistor --10-- attached to the medium --2--, which compensates for the temperature-dependent change in sensitivity, is, together with the auxiliary resistors --21 and 22-- used to set the required temperature coefficient, in the supply of the bridge circuit, which is connected to the terminals --23 and 24- is connected, switched on. The measurement signal is taken from terminals --25 and 26--.
The temperature independence of the winding resistance of the coil --3-- can be achieved by using a resistance wire. FIG. 6 shows an embodiment of a transmitter for measuring larger displacements of up to a few decimeters. The encoder has a flat design. Its housing represents the medium-l. By moving it in the direction of the arrow, it more or less coincides with the medium --2--, which can be represented by a machine part. The transmitter can be inserted into a column, for example.
The distance d between the two media is constant. The coil --3-- is wound on a ferromagnetic flat core 5. It is advisable to use a ferrite-based material, which is characterized by a low temperature coefficient of permeability (around 10-6 .... 10-5) and a high specific resistance (around 105 Ohm. Cm). In this case, the temperature dependence caused by the core is practically negligible.
A non-magnetic material with the highest possible specific resistance and a low temperature coefficient of resistance (on the order of 10-5), such as a Ni-Cr-Fe alloy, will be selected for the medium --1--, which is the casing of the encoder as it is often used in chemical apparatus engineering. In many cases, compensation is not necessary here either. If the medium --2-- causes a temperature dependency, the resistor --10-- must be attached at a suitable point, which is switched into the electrical arrangement as shown in Fig. 4.
In FIG. 6, a transducer for rotary movements is shown, which is derived directly from the flat encoder in FIG. 5. The segment-shaped curved coil, wound with resistance wire on a ferromagnetic core, is located within a housing representing the medium --1--. The segment-shaped medium --2-- is pushed in front of this housing, and is rotatably mounted about an axis --32--.
Another variant, which emerges from the principle of a flat building shown in FIG. 5, is shown in FIG. This arrangement is suitable for measuring small and very small displacements. The sink
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Measuring probe from the surface --29-- of the medium --2-- changes. A case-by-case compensation of the temperature-dependent change in sensitivity is effected by the resistor --10--
As can be seen from FIGS. 8 and 9, transmitters in the manner of the classic plunger armature transmitters can also be used
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to be created. Fig. 8 shows a differential transducer for measuring mean displacements of up to a few millimeters. The medium --1-- is designed as a coil body, onto which the two symmetrically arranged coils - 3 - made of resistance wire are wound. The medium --2-- is the movable core with the tie rods -30 and 31-. The same material with a high specific resistance and a low temperature coefficient of resistance will be used for both media. Fig. 9 shows the asymmetrical variant of this encoder, which can be used for longer distances.
Again, a coil --3-¯ made of resistance wire is wound onto the medium --1-- serving as the coil carrier. The medium --2--, which consists of the same material, is immersed in this coil system. This transmitter is a direct technical implementation of the simplified "shielding principle" shown in FIG. The encoder is surrounded by a ferromagnetic cover-5--.
If the flat encoder shown in FIG. 5 is given a rotationally symmetrical shape, a variant is created, as shown in FIG. 10. On a ferromagnetic core --5-- there is a coil wound with resistance wire. This coil system is enclosed by the medium --1-- and is immersed in the medium-2-. Resistance --10-- is provided for a correction of the temperature dependency caused by the medium --2-- in some cases.
It has been shown that with particular advantage the conductor-l-made of material of low conductivity, z. B.
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in the case of FIG. 10 a bore is provided in a certain machine part, into which the measuring coil penetrates, this bore can optionally be lined with a highly conductive jacket.
Practical attempts have z. For example, it can be shown that a coil that has an ohmic and inductive impedance component of about 100 ohms each without being influenced by the conductors-1 and 2--, after attaching the conductor-1-an ohmic component of around 1000 ohms and an inductive one Component of impedance had around 40 to 50 ohms. Depending on the position of the conductor --2 - the ohmic component dropped to around 900 ohms.
PATENT CLAIMS:
1. Measuring transducer for distance measurement, with at least one measuring coil located in an alternating current measuring circuit, on which eddy currents, which are dependent on the measured value and induced by the coil field, react and which is connected to a measuring current circuit, which otherwise only has Olun elements, because it is not possible - shows that it has a conductor (1) which is firmly coupled to the measuring coil (3), so that the secondary currents induced in it result in a predetermined reduction in the inductive component of the coil impedance compared to the ohmic component of the coil impedance low value takes place that the coil impedance is practically ohmic.