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Die
Erfindung betrifft eine induktiv arbeitende Sensoranordnung mit
einer Messspule, wobei ein Oszillator die Messspule mit einer Wechselspannung versorgt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Beeinflussen des
Messverhaltens einer Messspule, wobei die Messspule durch einen
Oszillator mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird.
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Induktiv
arbeitende Sensoranordnungen nehmen in der Messtechnik einen wichtigen
Stellenwert ein. Sie sind überall dort einsetzbar, wo elektrisch
und/oder magnetisch leitfähige Objekte detektiert werden
sollen. Befinden sich derartige Objekte im Messbereich eines induktiven
Sensors, so wirken diese auf den Sensor zurück. Die Rückwirkung
kann als Messsignal genutzt werden. Wichtigste Anwendungsgebiete
sind Abstands- oder Näherungssensoren sowie Wegmesssensoren.
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Es
sind prinzipiell zwei verschiedene Ausführungen von induktiven
Sensoren bekannt. Bei einer Ausführung wird durch eine
Spule ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das in einem sich im
Messbereich des Sensors befindlichen leitfähigen Objekt Wirbelströme
induziert. Diese Wirbelströme wirken auf die Impedanz der
Spule zurück (Lenz'sche Regel). Dadurch wird sowohl der
Real- als auch der Imaginärteil der Impedanz der Spule
in Abhängigkeit von dem Abstand der Spule zu dem Objekt
verändert. Diese Veränderung wird als Messsignal
genutzt und ermöglicht Rückschlüsse auf
den Abstand der Spule zu dem Objekt.
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Ein
anderes Messprinzip verwendet zwei separate Spulen, wobei eine Spule
ein elektromagnetisches Feld erregt und die zweite Spule das Feld
detektiert. Ein leitfähiges Messobjekt, das sich im Messfeld
dieser Anordnung befindet, beeinflusst den Kopplungsfaktor zwischen
der Erregerspule und er Detektionsspule. Befinden sich Erreger-
und Detektionsspule relativ zum Messobjekt auf der gleichen Seite,
erhöht sich die Kopplung zwischen den Spulen. Ein derartiges
System ist beispielsweise aus der
DE 195 23 519 A1 oder der
JP 57200803 A bekannt. Befindet
sich das Messobjekt hingegen zwischen der Erreger- und der Detektionsspule,
reduziert das Messobjekt die Kopplung. Die Veränderung
der Kopplung kann messtechnisch erfasst und sowohl für Abstands-
als auch Wegmesssensoren herangezogen werden.
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Problematisch
an den bekannten Sensoranordnungen ist, dass die Sensoren eine relativ
starke Empfindlichkeit gegenüber Objekten aufweisen, die sich
dem Sensor seitlich nähern. Diesem Problem wird in der
Praxis mit verschiedenen Ansätzen begegnet. Nach einem
Ansatz wird die Messspule nach hinten und seitlich durch ein metallisches
Gehäuse abgeschirmt. Durch diese Maßnahme wird
die Messspule nur noch durch Annäherung eines Objekts von vorne
an die Sensorstirn beeinflusst. Problematisch an diesem Ansatz ist
jedoch, dass die Güte der Spule gegenüber einer
Luftspule reduziert ist, da die Impedanz bereits durch die Schirmung
verändert ist. Damit ist die Empfindlichkeit auf die Annäherung
eines Messobjekts reduziert, was sich in einem kleineren nutzbaren
Messbereich und einem geringeren Auflösungsvermögen
des Sensors im Vergleich zu einer Luftspule gleicher Abmessung widerspiegelt.
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Nach
einem anderen aus der Praxis bekannten Ansatz werden die Spulen
mit einem magnetischen Kern ausgestaltet. Durch den Kern weisen
die Spulen gegenüber Luftspulen eine höhere erreichbare
Güte und damit eine größere Empfindlichkeit
auf. Je nach Form des Kerns wird zusätzlich eine Bündelung
des elektromagnetischen Felds erreicht. Eine relative Unempfindlichkeit
gegenüber seitlichen Annäherungen bietet eine
Ausgestaltung des Kerns als Schalenkern.
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Nachteilig
an derartigen Spulen ist, dass sie empfindlich auf einwirkende Magnetfelder
reagieren. Durch zusätzliche Magnetfelder verändert
sich die Permeabilität des Kerns, was sich wiederum auf
die Spulenimpedanz auswirkt. Daher können diese Spulen
nicht in Umgebungen eingesetzt werden, bei denen magnetische Störfelder
vorhanden sind (beispielsweise bei Elektromotoren, Hubmagneten oder dergleichen).
Zudem ist die Permeabilität des Kerns, insbesondere bei
negativen Temperaturen und Temperaturen über 100°C,
stark von der Temperatur des Kerns abhängig. Die maximal
erreichbaren Fertigungstoleranzen von mehreren Prozent bei der Permeabilität
und den mechanischen Abmessungen wirken sich weiter negativ aus.
Spulen mit größeren Durchmessern (über
etwa 30 mm) lassen sich nicht oder kaum realisieren, da die Herstellung
der Kerne schwierig und extrem teuer ist.
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Zum
Detektieren von Fehlern und Rauschen sind Anordnungen bekannt, bei
denen mehrere Spulen übereinander angeordnet sind und eine
Spule zur Detektion eines Fehlersignals dienen. Ein derartiges System
ist in der
DE 33 36
783 A1 gezeigt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung
und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten
und weiterzubilden, dass das Messverhalten induktiver Sensoranordnungen
verbessert wird und insbesondere eine Reduzierung der Empfindlichkeit
gegenüber seitlichen Annäherungen erreicht wird.
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Erfindungsgemäß wird
die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Sensoranordnung
dadurch gekennzeichnet, dass um die Messspule eine weitere Spule
angeordnet ist und dass die weitere Spule mit einem Verstärker
verbunden ist, über den die weitere Spule mit einer von
der Wechselspannung des Oszillators abgeleiteten Spannung speisbar
ist.
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In
verfahrensmäßiger Hinsicht wird die voranstehende
Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 16 gelöst.
Danach ist das in Rede stehende Verfahren dadurch gekennzeichnet,
dass eine um die Messspule angeordnete weitere Spule mittels eines
Verstärkers und/oder Phasenschiebers mit einer Spannung
beaufschlagt wird, die von der durch den Oszillator abgegebenen
Wechselspannung abgeleitet ist, und dass durch die weitere Spule
die Abstrahlcharakteristik der Sensoranordnung beeinflusst wird.
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Erfindungsgemäß ist
zunächst erkannt worden, dass das Messverhalten einer induktiven
Sensoranordnung auch ohne Kapselung der Sensorspule und ohne die
Verwendung magnetischer Kerne positiv beeinflusst werden kann. Stattdessen
genügen vergleichsweise einfache Maßnahmen, die
weniger stark in das Verhalten der Sensoranordnung eingreifen. Dazu
ist um die eigentliche Messspule eine weitere Spule angeordnet,
die die Messspule zumindest teilweise umschließt. Das Messverhalten
dieser erweiterten Messanordnung kann auf verblüffend einfache
Art und Weise dadurch verbessert werden, dass die weitere Spule
mit einer Spannung gespeist wird, die von der die Messspule speisenden
Wechselspannung abgeleitetet ist. Dazu wird die von dem Oszillator
abgegebene Wechselspannung abgegriffen und über einen Verstärker
der weiteren Spule zugeführt. Durch diese Maßnahme
hat eine Veränderung der Impedanz der weiteren Spule einen
sehr geringen oder keinen Einfluss auf das Verhalten der Messspule.
Die Messspule kann hingegen unabhängig von der weiteren
Spule betrieben werden. Die Felder der Messspule und der weiteren
Spule überlagern sich jedoch derart, dass eine aktive Schirmung der
Messspule gegenüber seitlichen Einflüssen erreicht
wird. Ferner führt die Verwendung der weiteren Spule und
deren besondere Speisung dazu, dass das Messfeld gegenüber
gebräuchlichen Sensoranordnungen wesentlich gebündelter
abgegeben wird. Dadurch ist das örtliche Auflösungsvermögen
der Spulenanordnung weiter erhöht.
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Zum
Erhöhen der Flexibilität der Anwendung könnte
vor oder nach dem Verstärker ein Phasenschieber angeordnet.
Dadurch kann auf die Phasenlage zwischen der die Messspule speisenden
Wechselspannung und der weiteren Spule Einfluss genommen werden,
wodurch die Überlagerung der durch die beiden Spulen abgegebenen
Felder gesteuert werden kann. Durch Wahl der Phasenlage zwischen
den beiden Spannungen kann daher die Charakteristik des abgestrahlten
Messfelds in hohem Maße beeinflusst werden.
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Vorzugsweise
sind die Messspule und die weitere Spule derart ausgestaltet, dass
ihre Wickelachsen im Wesentlichen parallel zueinander liegen. Vorzugsweise
fallen die beiden Wickelachsen im Wesentlichen zusammen, wodurch
die beiden Spulen koaxial ausgebildet sind. Dabei ist es im Wesentlichen
unerheblich, auf welche Art und Weise die beiden Spulen aufgebaut
sind. So können die Spulen durch eine Drahtwicklung gebildet
sein. Andererseits könnte eine auf einem Träger
aufgebrachte Leiterbahn eine Spule bilden. Hierzu ist aus der Praxis
eine Reihe von Ausgestaltungen bekannt.
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Dabei
könnten die eingesetzten Spulen als Luftspulen ausgebildet
sein, d. h. es ist kein magnetischer Kern im Inneren der Spule angeordnet.
Dadurch könnte die Sensoranordnung auch in Umgebungen mit
magnetischen Störfeldern eingesetzt werden. Eine Beeinflussung
des Kerns durch die Störfelder unterbleibt damit.
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Zum
Gewährleisten einer koordinierten Überlagerung
der Magnetfelder der Messspule und der weiteren Spule könnten
die beiden Spulen derart angeordnet sein, dass sie in Messrichtung
im Wesentlichen bündig abschließen.
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Der
Verstärker, der die Speisespannung für die weitere
Spule zur Verfügung stellt, könnte die zu verstärkende
Spannung sowohl verstärken (Verstärkung größer
1) als auch gegebenenfalls dämpfen (Verstärkung
kleiner als 1). Auch eine Impedanzwandlung (Verstärkung
gleich 1) könnte realisiert werden. In ähnlicher
Weise könnte der Phasenschieber zu unterschiedlich starken
Phasenverschiebungen genutzt werden. Phasenverschiebungen von 0° können
ebenso realisiert sein, wie Verschiebungen von nahezu 360°.
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Vorzugsweise
ist der Verstärker in seiner Verstärkung steuerbar,
wodurch der Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit
der Anwendungssituation eingestellt werden kann. Ein gegebenenfalls
zusätzlich zu dem Verstärker vorhandener Phasenschieber könnte
ebenso steuerbar ausgebildet sein. Durch diese Ausgestaltung ist
es möglich, besonders flexibel auf die einzelnen Magnetfelder
und auf das abgegebene Gesamtfeld Einfluss zu nehmen.
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Die
Messspule und die weitere Spule könnten derart ausgestaltet
sein, dass das Feld der weiteren Spule das Feld der Messspule verstärkt
oder verringert. Hierzu kann eine geeignete konstruktive Ausgestaltung
der Spulen herangezogen werden. Andererseits kann durch eine geeignete
Wahl des Verstärkungsfaktors und der Phasenlage die Überlagerung der
einzelnen Felder verändert werden. Feste Verstärkungsfaktoren
und Phasenverschiebungen können hierbei ebenso Anwendung
finden wie anpassbare.
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Der
die Messspule versorgende Oszillator könnte eine Spannung
mit fester Frequenz abgeben. Zusätzlich könnte
die Spannung eine feste Amplitude aufweisen. Entsprechende Oszillatoren
sind aus der Praxis hinlänglich bekannt.
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Alternativ
könnte der Oszillator freischwingend ausgebildet sein.
Dabei könnte der Oszillator durch einen Schwingkreis gebildet
sein, der unter anderem die Messspule enthält. Dadurch
würde sich die durch den Oszillator abgegebene Frequenz
in Abhängigkeit der Impedanz der Messspule ändern.
Diese Ausgestaltung findet beispielsweise bei einer Detektion von
Impedanzänderungen Anwendung.
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Die
Spannung, die zur Ableitung der Versorgungsspannung für
die weitere Spule genutzt wird, könnte an verschiedenen
Stellen abgegriffen werden. Zum einen könnte der Abgriff
der Spannung nach einer Kopplungsimpedanz erfolgen, über
die die Messspule mit dem Oszillator verbunden ist. Dadurch folgt
die Versorgungs spannung der weiteren Spule der Versorgungsspannung
mit definierter Phasenlage. Allerdings könnte die zur Ableitung
der Versorgungsspannung der weiteren Spule genutzte Spannung auch
unmittelbar nach dem Oszillator abgegriffen werden.
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Vorzugsweise
erfolgt die Einspeisung der verstärkten und gegebenenfalls
phasenverschobenen Spannung in die weitere Spule niederohmig. Dabei
liegt die Speiseimpedanz vorzugsweise nahe 0 Ω.
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Die
Sensoranordnung könnte zum einen derart ausgestaltet sein,
dass die Messspule in Verbindung mit der weiteren Spule sowohl zum
Erzeugen eines elektromagnetischen Felds dient als auch eine Detektion
der leitfähigen Materialien realisiert. Dies wird insbesondere
dadurch erreicht, dass die Impedanz bzw. deren Veränderung
in Abhängigkeit von leitfähigen Materialien im
Messbereich der Sensoranordnung gemessen wird. Hierzu sind aus der
Praxis verschiedene Verfahren bekannt.
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Andererseits
könnte die Sensoranordnung derart ausgestaltet sein, dass
die Messspule in Verbindung mit der weiteren Spule ein elektromagnetisches
Feld erzeugt und zusätzlich eine Detektionsspule vorgesehen
ist. Die Detektionsspule würde dann zur Detektion von leitfähigen
Materialien dienen. Dabei würde der Kopplungsfaktor zwischen
der Messspule und der Detektionsspule bestimmt werden.
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Zum
Erreichen einer noch weiter verbesserten Ortsauflösung
der Sensoranordnung könnte die Detektionsspule wiederum über
eine weitere Spule verfügen, die um die Detektionsspule
angeordnet ist. Dadurch würde das örtliche Auflösungsvermögen
der Sensoranordnung weiter gesteigert.
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Beim
Betreiben einer derartigen Sensoranordnung, beispielsweise der zuvor
beschriebenen, wird die Abstrahlcharakteristik der Sensoranordnung durch
Beaufschlagen einer um die Messspule angeordneten weiteren Spule
mit einer von der Versorgungsspannung der Messspule abgeleiteten
Spannung gesteuert. Hierzu kommen ein Verstärker und/oder
ein Phasenschieber zum Einsatz. Dabei sollte gewährleistet
sein, dass eine Beeinflussung der Charakteristika der weiteren Spule
möglichst geringen oder gar keinen Einfluss auf die Versorgungsspannung
der Messspule nimmt.
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Zur
Steuerung der Abstrahlcharakteristik der Sensoranordnung wird vorzugsweise
die Versorgungsspannung der weiteren Spule beeinflusst. Die Veränderung
der Versorgungsspannung könnte darin bestehen, den Verstärkungsfaktor
des Verstärkers zu beeinflussen. Zusätzlich oder
alternativ könnte die durch den Phasenschieber hervorgerufene
Phasenverschiebung beeinflusst werden. Dadurch kann die Abstrahlcharakteristik
der Messspule in weiten Bereichen beeinflusst werden. Allerdings
könnten der Verstärkungsfaktor und/oder die Phasenverschiebung auch
fest eingestellt sein. Auf diese Weise kann die Abstrahlcharakteristik
zwar nicht verändert werden, allerdings lässt
sich diese beim Aufbau des Systems entsprechend den Vorgaben des
Anwendungsfalls einstellen.
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Es
gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden
Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden.
Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 bzw. 16 nachgeordneten
Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung
bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen
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1 einen
Schnitt durch eine in der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
einsetzbaren Messspule mit einer weiteren Spule sowie eine Frontalansicht
der Sensoranordnung,
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2 eine
erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der ein
Abgriff der zu verstärkenden Spannung nach einer Kopplungsimpedanz
erfolgt,
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3 ein
Diagramm einer Messung des Abstands einer Messspule zu einem Messobjekt
unter Verwendung einer aus der Praxis bekannten Sensoranordnung,
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4 ein
Diagramm einer Abstandsmessung entsprechend der 3 zugrunde
liegenden Messung jedoch unter Verwendung einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung,
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5 eine
erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der ein
Abgriff der zu verstärkenden Spannung vor einer Kopplungsimpedanz
erfolgt,
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6 eine
erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der ein
Abgriff der zu verstärkenden Spannung unmittelbar nach
einem Oszillator erfolgt,
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7 eine
aus dem Stand der Technik bekannte Sensoranordnung mit getrennter
Erreger- und Detektionsspule, die ein massives Messobjekt detektiert,
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8 die
Sensoranordnung gemäß 7, mit der
ein Drahtgitter als Messobjekt detektiert wird,
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9 ein
Abstandsdiagramm, das mit einer Sensoranordnung gemäß 7 oder 8 gewonnen
wurde,
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10 eine
erfindungsgemäße Sensoranordnung, die eine getrennte
Erreger- und Detektionsspule aufweist,
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11 ein
Abstandsdiagramm, das mit einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung gemäß 10 gewonnen
wurde,
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12 eine
erfindungsgemäße Sensoranordnun, bei der sowohl
die Erreger- als auch die Detektionsspule über eine weitere
Spule verfügen.
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1 zeigt
eine Sensoranordnung 1, die aus einer Messspule 2 und
einer koaxial zu dieser angeordneten weiteren Spule 3 besteht.
Die Messspule 2 und die weitere Spule 3 sind derart
ausgebildet, dass die Messspule 2 im Inneren der weiteren
Spule 3 untergebracht sein kann. Dabei sind die Messspule 2 und
die weitere Spule 3 derart angeordnet, dass die beiden
Spulen in Messrichtung (in 1 nach rechts gerichtet)
bündig abschließen. Die beiden Spulen 2, 3 sind
als Luftspulen ausgestaltet, wobei die weitere Spule 3 mehr
Wicklungen aufweist als die Messspule 3. Eine derartige
Sensoranordnung 1 wird in den im Zusammenhang mit den weiteren
Fig. beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung
eingesetzt.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die
Messspule 2 sowohl zum Erzeugen eines elektromagnetischen
Felds als auch zur Detektion leitfähiger Materialien im
Messbereich der Messspule 2 genutzt wird. Die Messspule 2 wird durch
einen Oszillator 4 über eine Kopplungsimpedanz 5 mit
einer Wechselspannung U1 gespeist. Der Oszillator 4 gibt
dazu eine Wechselspannung U1 mit fester
Frequenz und Amplitude ab. Infolgedessen erzeugt die Messspule 2 ein
elektromagnetische Feld F1.
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Zur
Speisung der weiteren Spule 3 mit einer von der Versorgungsspannung
U1 der Messspule 2 abgeleiteten
Spannung U2 wird die Spannung U1 nach
der Kopplungsimpedanz 5 abgegriffen und einem Verstärker 6 mit
einstellbarer Verstärkung zugeführt. Ein dem Verstärker 6 nachgeordneter
Phasenschieber 7 kann die Phasenlage beeinflussen. Dieser kann
eine einstellbare Phasenverschiebung (unter Umständen auch
gleich Null) bewirken. Die derart erzeugte Spannung U2 wird
niederohmig (Speiseimpedanz möglichst nahe 0 Ω)
in die weitere Spule 3 eingespeist. Dadurch erzeugt diese
ein elektromagnetisches Feld F2, das sich
dem Feld F1 der Messspule 2 überlagert.
Je nach Amplitude und Phasenlage ergeben sich im Feldbereich Verstärkungen
oder Verringerungen der Feldstärke. Dabei weisen die Felder
F1 und F2 automatisch
die gleiche Frequenz auf.
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Das
Amplituden- und Phasenverhältnis der Spannungen U1 und U2 an den beiden
Spulen 2, 3 bleibt bei Annäherung eines
Messobjekts konstant, da sich die Spannung U2 an
der weiteren Spule 3 direkt von der Spannung U1 an
der Messspule 2 ableitet. Sobald das Feld F1 durch
ein leitfähiges Objekt in seinem Messbereich verändert
wird, ändert sich entsprechend auch das Feld F2.
Ein leitfähiges Objekt, das sich weitgehend nur im Feldbereich
F2 befindet, hat jedoch keinen bzw. lediglich
einen geringen Einfluss auf die Impedanz – und damit auf
das Messsignal – der Messspule 2. Das Feld der
weiteren Spule 3 schirmt die Messspule 2 somit
durch Überlagerung gegen seitliche Einflüsse ab.
Die Schirmwirkung und die Feldbündelung des Feldes F1 kann durch Einstellung der Amplitude und
der Phasenlage der Spannung U2 für
die weitere Spule 3 beeinflusst werden. Die Güte
der Messspule 2 wird dabei nicht, wie beispielsweise bei
einem metallisch geschirmten Sensor, reduziert und somit ergibt
sich bei gleichem Spulendurchmesser der Messspule 2 der
gleiche Detektionsabstand wie bei einer ungeschirmten Standard-Messspule.
Bei geeigneten Werten der Spulen und geeigneten Einstellungen der
Amplituden- und Phasenverhältnisse lässt sich
eine wesentlich bessere Ortsauflösung der Messung erreichen.
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Als
Beispiel für die Wirksamkeit der durch die erfindungsgemäße
Sensoranordnung 1 erreichbaren Feldfokussierung seien die 3 und 4 betrachtet.
Beide Fig. zeigen jeweils Diagramme von Abstandsmessungen, bei denen
ein induktiver Sensor an einem auf einem Behältnis befindlichen
metallischen Deckel vorbeibewegt wurde. Der Deckel weist infolge
eines Unterdrucks in dem Behältnis eine Durchbiegung auf.
Die 3 und 4 zeigen jeweils eine Reihe
von Messungen, die mit verschiedenen Grundabständen durchgeführt
wurde. Die Ordinate der Diagramme zeigt den Abstand der Messspule
zu dem Deckel, während die Abszisse die Verschiebung des
Sensors wiedergibt.
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3 zeigt
ein Abstandsdiagramm einer Messung, die mit einer aus der Praxis
bekannten Sensoranordnung mit lediglich einer einfachen Messspule
aufgenommen wurde. Die Durchbiegung des Deckels ist selbst bei nahem
Grundabstand nicht zu erkennen. Das Signal ist wegen des breiten
Messfeldes wesentlich breiter, als der Deckeldurchmesser tatsächlich
ist.
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Die
Abstandsdiagramme in 4 sind hingegen mit einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung 1 gewonnen. Es ist deutlich zu erkennen,
dass eine erhebliche Verbesserung der Ortsauflösung auch
bei relativ großem Messabstand erreichbar ist. Zudem entspricht
die Breite in dem Diagramm wesentlich besser dem tatsächlichen
Durchmesser des Deckels.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel ist in 5 dargestellt.
Die Schaltung entspricht dabei im Wesentlichen der aus 2,
allerdings liegt der Abgriff der für die Ableitung der
Versorgungsspannung U2 für die
weitere Spule 3 unmittelbar nach dem Oszillator 4 noch
vor der Kopplungsimpedanz 5.
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Die
Messspule 2 wird wiederum von einem Oszillator 4 über
eine Kopplungsimpedanz 5 mit einer festen Frequenz und
Amplitude gespeist. Die durch den Oszillator 4 abgegebene
Wechselspannung wird über einen Verstärker 6 mit
einstellbarer Verstärkung abgegriffen und mit (oder ohne)
Phasenverschiebung über einen Phasenschieber 7 niederohmig (Speiseimpedanz
möglichst nahe 0 Ω) in die weitere Spule 3 eingespeist.
Dadurch wird ein zweites elektromagnetisches Feld F2 erzeugt,
das dem Feld F1 automatisch mit der gleichen
Frequenz überlagert ist. Das Amplituden- und Phasenverhältnis
der Spannungen an den beiden Spulen bleibt bei Annäherung eines
Messobjekts an die Messspule 2 – im Gegensatz
zu dem ersten Ausführungsbeispiel – jedoch nicht
konstant. Die Spannung U2 an der weiteren Spule 3 ist
durch den Abgriff direkt nach dem Oszillator 4 konstant
und ändert sich bei Veränderung der Impedanz der
Messspule nicht mit.
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Ein
leitfähiges Objekt, das sich weitgehend nur im Feldbereich
F2 befindet, hat keinen oder nur einen geringen
Einfluss auf die Impedanz der Spule und damit auf das Messsignal.
Das Feld der weiteren Spule 3 schirmt die Messspule 2 durch Überlagerung der
Felder gegen seitliche Einflüsse weitgehend ab. Die Schirmwirkung
kann durch die Einstellung der Amplitude und der Phasenlage und
damit der Stärke des Feldes F2 beeinflusst
werden. Somit ergibt sich eine Bündelung des Feldes F1 wie im ersten Ausführungsbeispiel
jedoch mit anderen Auswirkungen auf die Phase und die Amplitude
an der Messspule 2.
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6 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wiederum
entspricht das Schaltbild in weiten Teilen dem Schaltbild gemäß 2.
Der Oszillator ist in diesem Ausführungsbeispiel jedoch
als freischwingender Oszillator 8 ausgebildet. Dieser kann
beispielsweise durch einen Resonanzkreis gebildet sein, der aus
der Messspule 2 und einem nicht dargestellten parallel
geschalteten Kondensator besteht. Dadurch verändert sich
bei Annäherung eines leitfähigen Objekts nicht
nur die Impedanz der Messspule 2, sondern auch die Frequenz
der erregenden Wechselspannung.
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Die
Wechselspannung an der Messspule 2, die das elektromagnetische
Feld F1 erzeugt, wird über ein
Verstärker 6 mit einstellbarer Verstärkung abgegriffen,
und mit (oder auch ohne) Phasenverschiebung über einen
Phasenschieber 7 in die weitere Spule 3 niederohmig
(Speiseimpedanz möglichst nahe 0 Ω) eingespeist.
Somit wird ein zweites elektromagnetisches Feld F2 erzeugt,
das dem Feld F1 automatisch mit der gleichen
Frequenz überlagert ist. Das Amplituden- und Phasenverhältnis
der Spannungen an den beiden Spulen 2, 3 bleibt
konstant, da sich die Spannung U2 an der
weiteren Spule 3 direkt von der Spannung U1 an
der Messspule 2 ableitet. Sobald das Feld F1 durch
ein leitfähiges Objekt in seinem Messbereich verändert wird, ändert
sich entsprechend auch das Feld F2. Ein
leitfähiges Objekt, das sich weitgehend nur im Feldbereich
F2 befindet, hat jedoch keinen bzw. lediglich
einen geringen Einfluss auf die Impedanz der Messspule 2 und
damit auf das Messsignal. Das Feld der weiteren Spule 3 schirmt
die Messspule 2 durch Überlagerung gegen seitliche
Einflüsse ab. Die Schirmwirkung und die Feldbündelung
des Feldes F1 kann durch die Einstellung
der Amplitude und der Phasenlage an der weiteren Spule 3 und
damit des Felds F2 beeinflusst werden.
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Die 7 bis 12 beziehen
sich auf ein System mit getrennter Erreger- und Detektionsspule. Dabei
zeigen die 7 bis 9 die Verhältnisse, die
sich bei einem aus der Praxis bekannten System zeigen. Ein freischwingender
Oszillator 8, der unter anderem eine Messspule 9 enthält,
speist die Messspule 9 mit einer Wechselspannung U1. Dadurch erzeugt die Messspule 9 ein
elektromagnetisches Feld F3, das in Richtung
einer Detektionsspule 10 abgestrahlt wird. Der Abstand
zwischen der Erreger- und der Detektionsspule kann dabei ein Vielfaches
der Spulendurchmesser betragen, wobei die Durchmesser der beiden
Spulen 9, 10 gleich groß sind. Allerdings
können die Spulen auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
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Ein
Messobjekt 11 wird zwischen den beiden Spulen 9, 10 bewegt.
In Abhängigkeit der Position x des Messobjekts 11 wird
die Kopplung zwischen der Erreger- und der Detektionsspule verändert.
Daher ist die durch die Detektionsspule 10 erzeugte Spannung
Ue von der Position x abhängig.
In einer anderen Anwendung kann dieser Effekt beispielsweise dazu
genutzt werden, eine Aussage über die Abmessungen eines
kleinen oder eines schmalen Objekts (beispielsweise eines Drahtes)
zu treffen.
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8 entspricht
im Wesentlichen der 7. Allerdings zeigt 8 kein
massives Messobjekt, sondern ein aus einzelnen nahe beieinander
liegenden Drähten bestehendes Messobjekt 12.
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9 zeigt
ein Diagramm, das die Spannung Ue in der
Detektionsspule 10 in Abhängigkeit der Position
x des Messobjekts 11, 12 wiedergibt. Dabei ergeben
sich sowohl bei dem massiven Messobjekt 11 als auch bei
dem aus Drähten bestehenden Messobjekt 12 die
gleichen Diagramme. Die einzelnen Drähte können
wegen des sehr breiten Messfeldes bei der aus der Praxis bekannten
Anordnung nicht getrennt erkannt werden. Hierzu ist die Ortsauflösung
des Systems zu gering.
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Die 10 bis 12 beziehen
sich auf eine erfindungsgemäße Sensoranordnung.
In 10 ist ein viertes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt, bei dem die Erregerspule neben einer
Messspule 2 eine weitere Spule 3 aufweist. Die Messspule 2 wird
von einem Oszillator 4 mit einer Wechselspannung mit fester
Frequenz und Amplitude gespeist. Die Messspule 2 gibt dadurch
ein elektromagnetisches Feld F3 ab. Die
weitere Spule wird mit einer Spannung gespeist, die mittels eines
Verstärkers 6 mit einstellbarer Verstärkung
und einem Phasenschieber 7 mit einstellbarer Phaseverschiebung
aus der Versorgungsspannung der Messspule 2 abgeleitet
wird. Die weitere Spule 3 erzeugt dadurch ein elektromagnetisches
Feld F4, das sich dem Feld F3 überlagert.
Diese überlagerten Felder werden in Richtung einer gegenüber
liegenden einfachen Detektionsspule 10 abgestrahlt, die
infolge des wechselnden Felds eine Spannung Ue erzeugt.
Der Abstand zwischen der Erregerspulenanordnung (gebildet durch
die Messspule 2 und die weitere Spule 3) und der
Detektionsspule 10 kann dabei ein Vielfaches der Spulendurchmesser
der Messspule 2 bzw. der Detektionsspule 10 betragen.
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Zwischen
der Erregerspulenanordnung und der Detektionsspule 10 wird
wiederum ein aus einzelnen nahe beieinander liegenden Drähten
bestehendes Messobjekt 12 vorbeibewegt. Das Messobjekt 12 beeinflusst
die Kopplung zwischen der Erregerspulenanordnung und der Detektionsspule 10.
Durch geeignete Wahl der Spulenabmessungen und der Amplituden- und
Phasenverhältnisse der Spannungen an der Erregerspulenanordnung
kann die Spannung Ue so eingestellt werden,
dass die Ortsauflösung der Anordnung wesentlich besser
ist als nur mit einer Erregerspule.
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11 zeigt
den Verlauf der Spannung Ue, die sich einstellt,
wenn das Messobjekt 12 in x-Richtung, d. h. im Wesentlichen
senkrecht zu den Spulenachsen, bewegt wird. Dabei wird deutlich,
dass die einzelnen Drähte des Messobjekts 12 gut
voneinander zu unterscheiden sind und damit sogar deren Abstand
zueinander bestimmt werden kann. Die Ortsauflösung ist
also im Vergleich zu der aus der Praxis bekannten Anordnung erheblich
verbessert.
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Eine
noch weitere Verbesserung liefert eine Anordnung, bei der auch einer
Detektionsspule 13 eine weitere Spule 14 zugeordnet
ist. Eine derartige Schaltung ist in 12 dargestellt.
Die Schaltung entspricht (abgesehen von der weiteren Spule 14 um die
Detektionsspule 13) der in 10 dargestellten Schaltung.
Dabei ergeben sich bei der Detektionsspule 13 und der weiteren
Spule 14 unterschiedliche Empfangsspannungen, die durch
geeignete Kombination der Summierung mit Hilfe eines einstellbaren Verstärkers
und eines Phasenschiebers eine noch bessere Ortsauflösung
als die Schaltung gemäß 10 ermöglichen.
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Abschließend
sei ganz besonders hervorgehoben, dass die zuvor rein willkürlich
gewählten Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung
der erfindungsgemäßen Lehre dienen, diese jedoch
nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19523519
A1 [0004]
- - JP 57200803 A [0004]
- - DE 3336783 A1 [0008]