DE102012017615A1

DE102012017615A1 - Wirbelstromaufnehmer

Info

Publication number: DE102012017615A1
Application number: DE201210017615
Authority: DE
Inventors: Manfred Roth
Original assignee: Bruel and Kjaer Vibro GmbH
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: DE102012017615B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wirbelstromaufnehmer, der einen Oszillator-Schwingkreis mit einer Kapazität (1) und mindestens einer Messspule (2) enthält, wobei der Wicklungsdraht aus einer Legierung aus Kupfer und Mangan oder Kupfer und Nickel besteht. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (2) als selbsttragende Wicklung ausgebildet ist, wobei der Wicklungsdraht zur Isolation mit einem Grundlack und zur Verklebung zusätzlich mit einer dünnen Schicht eines Backlack auf Polyamidbasis umgeben ist. Dabei weist die Backlack-Schicht höchstens eine Dicke von 0,5 bis 1,5% vom Drahtdurchmesser auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelstromaufnehmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Wegmessung mit einem derartigen Wirbelstromaufnehmer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Derartige Wirbelstromaufnehmer werden zur berührungslosen Messung von Wegen und Schwingwegen oder daraus abgeleiteten Größen eingesetzt. Ein Wirbelstromaufnehmer besteht im wesentlichen aus einer gegen Umwelteinflüsse geschützten Messspule, die von einer Oszillatorschaltung mit einem Wechselstrom gespeist wird. Um die Messspule bildet sich daher ein alternierendes magnetisches Feld aus, welches beim Einbringen eines leitfähigen Materials in dieses Feld Wirbelströme im Leitfähigen Material induziert. Die Wirbelströme sind umso stärker, je kleiner der Abstand zwischen dem leitfähigen Material beziehungsweise Messobjekt und der Messspule ist. Diese Wirbelströme haben zur Folge, dass die elektrischen Eigenschaften der Messspule verändert werden. Die Veränderungen werden messtechnisch ausgewertet und ergeben ein abstandsabhängiges Ausgangssignal.
Aufnehmer nach dem Wirbelstrom-Messverfahren werden beispielsweise bei der Maschinenüberwachung in einem sehr weiten Temperaturbereich eingesetzt. Da man für Schwingungsmessungen beziehungsweise Wegmessungen sehr hohe Anforderungen an die Linearität und Reproduzierbarkeit des Aufnehmers stellt, ist eine Temperaturkompensation dieser Aufnehmer unerlässlich. Bei den bisher bekannten Wegaufnehmern nach dem Wirbelstrom-Messverfahren (Wirbelstromaufnehmer) bestehen die Drahtwicklungen der Messspule meist aus Kupfer- oder Silberdraht. Kupfer- oder Silberdraht besitzen zwar eine besonders hohe Leitfähigkeit, jedoch eine erhebliche Temperaturabhängigkeit von bis zu 40% pro 100°C.
In der Praxis werden zwecks Temperaturkompensation die Windungszahl, der spezifische Widerstand des Drahtmaterials, der Drahtdurchmesser, die Arbeitsfrequenz und die Form der Spule derart aufeinander abgestimmt, dass in einem begrenzten Temperaturbereich die Ohmschen Verluste in der Messspule, die linear mit steigender Temperatur zunehmen, durch etwa gleich große Wirbelstromverluste in der Spule, die durch den Skin-Effekt auftreten und die mit der Temperatur abnehmen, kompensiert werden. Diese sogenannte passive Kompensation ist sehr aufwendig, da hierbei viele Parameter berücksichtigt und hinreichend stabil gehalten werden müssen. Zudem ist eine Einstellung der hierzu optimalen Frequenz nicht immer wünschenswert oder möglich.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen kann auch der gewünschte Drahtdurchmesser der Spule abweichen. Diese Abweichung kann zu großer Ungenauigkeit führen. Legierungen mit nicht hinreichend linearem Temperaturkoeffizienten führen dazu, dass zusätzlich eine aktive Kompensation des Wirbelstromaufnehmers erfolgen muss, die eine aufwendige, nicht lineare Nachsteuerung über den Temperaturbereich zur Folge hat. In Sonderbauformen werden große Spulen eingesetzt, deren Drahtmaterial aus Konstantan besteht. Dieses Drahtmaterial hat einen sehr geringen Temperaturkoeffizienten, jedoch auch eine geringe Leitfähigkeit. Eine Spule aus Konstantandraht besitzt daher schlechte Schwingeigenschaften und ist als Messspule in einem Wirbelstromaufnehmer ungeeignet.
Aus der DE 30 20 624 A1 ist eine Messspule für einen Wirbelstromaufnehmer bekannt, die eine geringe Temperaturabhängigkeit und einen verhältnismäßig geringen spezifischen Widerstand besitzt. Dabei besteht der Wicklungsdraht der Messspule aus einer Legierung aus ca. 60 Palladium und ca. 40 Silber, die in einem Temperaturbereich von –50 bis 730°C einsetzbar ist. Die Herstellung eines Wicklungsdrahtes aus einer derartigen Legierung ist aber sehr aufwendig, so dass daraus gefertigte Messspulen für viele Anwendungen zu kostenaufwendig sind.
Aus der DE 196 35 298 A1 ist eine Messspule aus einem Wicklungsdraht mit kleinem Temperaturkoeffizienten bekannt, die vorzugsweise in Wirbelstromaufnehmern verwendet wird. Dabei besteht der Wicklungsdraht aus einer Legierung eines hochleitfähigen Materials mit mindestens einem Material der der 3d- und der 4f-Reihe des Periodensystems. Insbesondere ist dabei eine Legierung vorgesehen, die aus Kupfer und 1 bis 13% Mangan besteht. Allerdings wird die Temperaturabhängigkeit eines Wirbelstromaufnehmers noch von anderen bauartbedingten Faktoren bestimmt, die die temperaturabhängige Messgenauigkeit des Wirbelstromaufnehmers nachteilig beeinflussen können, so dass lediglich eine Spule mit geringem Temperaturkoeffizienten häufig nicht ausreicht, um eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen. Deshalb wird zusätzlich noch vorgeschlagen, der Messspule des Oszillator-Schwingkreises einen Heißleiter in Reihe zu schalten oder der Messspule einen Kaltleiter parallel zu schalten.
Einen Positionssensor als Wirbelstromaufnehmer mit weiteren temperaturkompensierenden Bauteilen zur Erhöhung der Messgenauigkeit ist aus der DE 195 39 975 B4 bekannt. Dieser Wirbelstromaufnehmer besteht aus einer keramischen Endkappe, einer Messspule aus Kupferlitze, einer Ferritstange, einem keramischen Halter für die Ferritstange, einem Keramikgehäuse, einer Metallgehäusehülse und einem Anschlusskabel. Zur Temperaturkompensation besteht die Spule aus einer Drahtlitze, die durch 500 Drehungen auf etwa 1,5 m Drahtlänge miteinander verflochten ist, um einen minimalen Wechselstromwiderstand zu erzeugen. Dabei ist die Messspule direkt auf die Ferritstange gewickelt, die wiederum im keramischen Halter mittels eines keramischen Klebers befestigt ist. Bei zunehmender Temperatur steigt zwar der Ohmsche Widerstand in der Spule, wobei durch das Ferritkernmaterial bei Erhöhung der Temperatur deren Permeabilität ansteigt, was der Widerstandänderung umgekehrt proportional ist und dadurch eine Temperaturkompensation eintritt. Zur Kompensation der temperaturbedingten Wärmeausdehnung sind die Wicklungsdrähte als Zugentlastungsschleifen ausgebildet und jede mit jeweils einer leitfähigen Oberfläche in zwei Nuten des Keramikgehäuses mittels Palladium-Silber-Streifen verlötet. Da dieser Wirbelstromaufnehmer in einer Luftumwälzmaschine eingesetzt wird, bei der Umgebungstemperaturen von bis zu 260°C auftreten, sind die Sensorteile aus hochtemperaturfester Keramik und Metall ausgebildet und durch einen hochtemperaturfesten Kleber auf Keramikbasis miteinander verklebt. Ein derartiger Wirbelstromaufnehmer ist durch die Teilevielfalt, die Aufwicklung auf den Ferritstab und die Verlöttechnik in den Nuten mit den Palladium-Silber-Streifen verhältnismäßig aufwendig in der Herstellung.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Wirbelstromaufnehmer so zu verbessern, dass sich der Messfehler und der Herstellungsaufwand verringert.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 und 8 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Kombination einer hochleitfähigen Messspule aus Kupfermangan (CuMn) oder Kupfernickel (CuNi) mit einem dünnen Backlack eine Minimierung des temperaturbedingten Messfehlers eines Wirbelstromaufnehmers über einen weiten Temperaturbereich erzielt wird. Denn durch die Legierung des Drahtwerkstoffs wird weitgehend ein temperaturbedingter Anstieg des Ohmschen Widerstands als positive Drift in einem weiten Temperaturbereich von –50 bis +180°C erreicht. Gleichzeitig entsteht durch den dünnen Backlack eine negative Drift des Wechselstromwiderstands, die sich in dem vorgegebenen Temperaturbereich weitgehend die Waage halten, wodurch eine hohe Messgenauigkeit von maximal 1% erreichbar ist.
Durch den Einsatz von dünnem Backlack sind gleichfalls selbsttragende Messspulen herstellbar, die nicht auf spezielle Aufnehmerteile direkt aufgewickelt werden müssen, sondern durch einfaches Aufstecken auf einen Spulenträger einfach montierbar sind. Da diese Messspulen vorzugsweise auch nur 3% Mangan oder 6% Nickel aufweisen, besitzen diese über den gesamten vorgegebenen Temperaturbereich eine gleichbleibend hohe Leitfähgkeit und dies unter wesentlich geringeren Kosten als bei den bekannten Silber-Palladium-Legierungen. Dabei ist insbesondere der Einsatz einer dünnen Backlack-Schicht auf Polyamidbasis vorteilhaft, da dieser herkömmliche und preisgünstige Backlack zur Aufnahme von Feuchtigkeit neigt, die ansonsten bei herkömmlichen Dicken von ca. 5% des Drahtdurchmessers bei dem vorgesehenen Temperaturbereich zu einer temperaturabhängigen Wechselstromwiderstandserhöhung führen würde, wodurch sich die Messgenauigkeit des Wirbelstromaufnehmers auf bis zu 4% verschlechtern könnte.
Eine besondere Ausbildung der Erfindung mit einem keramischen Aufnehmerkopf und der Verklebung mit einem Hochtemperaturkleber auf Epoxydbasis hat den Vorteil, dass die Keramikteile absolut feuchtigkeitsdicht sind, so dass keine eindringende Feuchtigkeit die Messspule zusätzlich bedämpfen kann, was zu erheblichen Messfehlern führen würde. Gleichzeitig hat der Keramikkopf den Vorteil, dass er temperaturfest ist und nur eine geringe Wärmeausdehnung besitzt, durch die die innenliegenden Spulendrähte oder Lötstellen durch Wärmeausdehnungskräfte beschädigt werden könnten. Dies wird vorteilhaft dadurch noch verbessert, dass die Messspule und deren Drahtenden durch eine Silikonschicht mit den Keramikkopfteilen verbunden sind, die gleichzeitig auch die größere Wärmeausdehnung eines verwendeten Hochtemperaturklebers auf Epoxydbasis ausgleicht. Dabei hat die Verwendung eines Hochtemperaturklebers noch den Vorteil, dass er über den gesamten vorgegebenen Temperaturbereich eine hochfeste Klebeverbindung darstellt, die den Innenbereich des Wirbelstromaufnehmers hermetisch dicht vor ungünstigen Umwelteinflüssen wie einem hohen Druck oder Chemikalien oder insbesondere eindringender Feuchtigkeit dauerhaft schützt.
Bei einer weiteren besonderen Ausbildung, bei der die Spulenkappe die Spulenbreite um mindestens das Doppelte in axialer Richtung überdeckt, besteht der Vorteil, dass sich dadurch vor der Spulenwicklung eine langgestreckte Kleberschicht befindet, die ein Eindringen oder Eindiffundieren von Feuchtigkeit weitgehend ausschließt, durch die die Messgenauigkeit beeinträchtigt werden könnte.
Eine weitere besondere Ausbildung der Erfindung mit einem Kompensationsnetzwerk für die Verwendung unterschiedlicher Kabellängen hat den Vorteil, dass der Wirbelstromaufnehmer dadurch automatisch an die jeweils angeschlossene Anschlusskabellänge angepasst wird.
Bei einer weiteren zusätzlichen besonderen Ausbildung der Erfindung, bei der ein Wert für die Kabeltemperatur ermittelt wird, ist vorteilhaft, dass dadurch mittels einer Korrekturschaltung Korrektursignale gebildet werden, durch die ein Messfehler wegen unterschiedlicher Kabeltemperaturen kompensierbar ist.
Gleichzeitig hat eine weitere besondere Ausbildung der Erfindung mit einem zusätzlichen Kondensator im Spulenträger den Vorteil, dass dadurch der Einfluss der temperaturabhänigen Kapazität des Anschlusskabels in den von Messspule, Anschlusskabel und Kondensator gebildeten Schwingkreis verringert wird.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert.
Es zeigen:
1: eine Schnittdarstellung eines Wirbelstromaufnehmers in Seitenansicht, und
2: eine schematische elektronische Schaltung zur Kabellängenanpassung und zur Kabeltemperaturkompensation.
In 1 der Zeichnung ist ein Wirbelstromaufnehmer im Längsschnitt dargestellt, der als Wegaufnehmer eingesetzt wird und der an seiner Messseite 14 einen Aufnehmerkopf 8 mit einer darin angeordneten Messspule 2 und einem Spulenträger 3 aufweist, wobei der Spulenträger 3 in gegenüberliegender axialer Richtung mit einer Metallhülse 5 hermetisch dicht verklebt und in der ein Anschlusskabel 6 abgedichtet eingeführt ist.
Der dargestellte Wirbelstromaufnehmer ist für einen Wegmessbereich bis 4 mm ausgeführt. Nach dieser Bauart sind aber auch Wirbelstromaufnehmer von 2 bis mindestens 50 mm ausführbar, deren Messspule 2 als auch die übrigen Bauelemente dann daran angepasst werden müssten.
Der dargestellte Aufnehmerkopf 6 enthält dabei an seiner vorderen Messseite 14 eine Messspule 2, die auf einem zylindrischen Zapfen 9 des Spulenträgers 3 aufgeklebt ist. Dabei besteht der Spulenträger 3 aus einem zylindrischen Mittelteil mit einem vergrößerten Durchmesser von vorzugsweise 10 mm, an dem messseitig der zylindrische Zapfen 9 mit einer Länge von ca. 3 mm und einem Durchmesser von vorzugsweise 4 mm und kabelseitig ein zylindrischer Fortsatz 13 von einer Länge von 10 mm und einem Durchmesser von ca. 6 mm angeordnet ist. Zur Durchführung der Anschlussdrähte der Messspule 2 und/oder des Anschlusskabels 6 ist im Zentrum des Spulenträgers 3 ein hohler axialer Ausgleichskanal 11 eingelassen, der auch gleichzeitig zum Verlöten der Anschlussdrähte vorgesehen ist. Im vorderen Bereich zur Messseite 14 gerichtet, enthält der Mittelteil des Spulenträgers 3 eine Durchmesserabstufung 26, deren Außendurchmesser ca. 8 mm und deren Länge ca. 7 mm beträgt und auf den eine Spulenkappe 4 aufgeschoben wird. Der Spulenträger 3 und die Spulenkappe 4 bestehen aus einem unmagnetischen hitzefesten Keramikwerkstoff, vorzugsweise aus Aluminiumoxyd.
Die auf dem Zapfen 9 des Spulenträgers 3 aufgeschobene Messspule 2 ist wegen einer einfachen Montage des Wirbelstromaufnehmers in einer selbsttragenden Bauweise ausgeführt. Dabei besteht der Spulendraht vorzugsweise aus einer Kupfer-Mangan-Legierung, die einen verhältnismäßig geringen Ohmschen Widerstand besitzt, der aber nur eine minimale positive Temperaturdrift im vorgesehenen Temperaturbereich von –50 bis +180°C aufweist, indem derartige Wirbelstromaufnehmer verwendet werden. Bei einer derartigen Legierung, die vorzugsweise 3% Mangan enthält, liegt die Temperaturdrift in jedem Fall unter 1% temperaturabhängiger Widerstandsänderung.
Für kleinere Temperaturbereiche von 0 bis +120°C hat sich in praktischen Versuchen gezeigt, dass dafür auch eine Drahtlegierung von Kupfer mit 6% Nickel vorteilhaft ist und in diesem Temperaturbereich auch nur eine Temperaturdrift von höchstens 1% aufweist. Dabei hat die Kupfer-Nickel-Legierung gegenüber. der Kupfer-Mangan-Legierung einen geringeren Ohmschen Widerstand, so dass derartige Messspulen 2 eine höhere Messempfindlichkeit und/oder einen weiteren Messbereich aufweisen können.
Um die Messspule 2 über den großen benutzbaren Temperaturbereich von der thermischen Ausdehnung gegenüber dem Spulenträger 3 zu entkoppeln und eine einfache Montage des Wirbelstromaufnehmers zu erreichen, ist die Induktionsspule als selbsttragende Messspule 2 ausgebildet. Dazu wird der Spulendraht zunächst mit einer Grundlackschicht zur Isolation benetzt und darauf eine Backlack-Schicht auf Polyamidbasis aufgetragen, um die Verklebung der gewickelten Spulendrähte zu erreichen. Üblicherweise betragen derartige Backlack-Schichten eine Dicke von ca. 5% des Drahtdurchmessers, um eine stabile Selbsttragefunktion zu gewährleisten. In der Praxis hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass derartige Backlack-Schichten zu einer Erhöhung der wechselstrombedingten Temperaturdrift beitragen, da derartige Polyamidschichten Feuchtigkeit aufnehmen können. Zur Verbesserung der wechselstrombedingten Temperaturdrift ist die Backlack-Schicht daher minimiert mit einer Schichtdicke von 0,5 bis 1,5% des Drahtdurchmessers, vorzugsweise 1%, wodurch mit einer derartigen Messspule 2 ein maximaler Messfehler von 1% einhaltbar ist.
Um die Messspule 2 wärmedehnungsmäßig von den umgebenden Bauelementen zu entkoppeln, wird die Messspule 2 mittels einer dünnen elastischen axialen Silikonschicht zwischen dem Zapfen 9 und der inneren Mantelfläche der Messspule 2 und einer radialen elastischen Silikonschicht zwischen der radialen Messspulenwand und dem Mittelteil des Spulenträgers 3 aufgeklebt, die vorzugsweise eine Schichtdicke von 0,1 bis 0,5 mm aufweist. Um die ca. 3 mm lange Messspule 2 vor eindringender Feuchtigkeit zu schützen wird diese durch eine hutförmige keramische Spulenkappe 4 abgedeckt, die ca. 7 mm auf dem Spulenträger 3 aufgeschoben wird. Dabei wird die Spulenkappe 4 durch eine ca. 0,1 bis 0,3 mm dicke Kleberschicht eines Hochtemperatur-Epoxydklebers mit dem Spulenträger 3, der Messspule 2 und dem Zapfen 9 hermetisch dicht verklebt. Da ein derartiger Epoxydkleber ebenfalls Wasser aufnehmen kann, wird ein Eindringen von Feuchtigkeit durch das 7 mm lange Überlappen der Spulenkappe 4 auf den Spulenträger 3 weitgehend verhindert, was ebenfalls zur Verbesserung der Messgenauigkeit beiträgt.
Zum elektrischen Anschluss wird die Messspule 2 mit dem Anschlusskabel 6 verbunden. Dazu wird die Metallhülse 5 auf das Anschlusskabel 6 geschoben und die beiden Anschlussdrähte des Anschlusskabels 6 in den Ausgleichskanal 11 geführt. Dabei endet der Ausgleichskanal 11 an seinem hinteren Ende in einer radialen Aussparung 15. In dieser Aussparung 15 wird zusätzlich noch ein Kondensator 1 als Zusatzkapazität neben der Kapazität des Anschlusskabels 6 angeordnet. Als Anschlusskabel 6 ist vorzugsweise ein Koaxialkabel vorgesehen, dass mit seinem Innen- und Außenleiter mit dem Kondensator 1 und der Messspule 2 vorzugsweise zu einem parallelen Oszillatorschwingkreis verlötet ist. Nach dem Verlöten wird sowohl der Ausgleichskanal 11 als auch die radiale Aussparung 15 des Ausgleichskanals 11 mit einer elastischen Silikonschicht 10 aufgefüllt. Anschließend kann die Metallhülse 5 auf den Fortsatz 13 des Spulenträgers 3 aufgeschoben und mit diesem und dem Kabelmantel des Anschlusskabels 6 mit einem Hochtemperatur-Epoxydkleber hermetisch dicht verklebt werden, wobei ebenfalls Kleberschichtdicken von 0,1 bis 0,3 mm vorgesehen sind. Zur Verhinderung des Eindringens von Feuchtigkeit sind dabei ebenfalls axial lange Kleberschichten zwischen der Metallhülse 5 und dem Spulenträger 3 als auch zwischen dem Kabelmantel und der Metallhülse 5 angeordnet.
Die Metallhülse 5 ist vorzugsweise aus Edelstahl, das ebenfalls absolut feuchtigkeitsundurchlässig und korrosionsfest ist. Da insbesondere der Hochtemperatur-Epoxydkleber einen wesentlichen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die mit diesem verklebte keramische Spulenkappe 4 und der Spulenträger 3 aufweist, entsteht ein Kompressionsdruck auf die Messspule 2, und deren Verdrahtung, die vorteilhaft durch die elastischen Silikonschichten 10 kompensiert wird, so dass dadurch entsprechende Beschädigungen bei großen Temperaturänderungen verhindert werden.
Ein weiterer Temperatureinfluss auf die Messgenauigkeit erfolgt auch durch das Anschlusskabel 6, das zumindest teilweise den gleichen Temperaturen wie der Aufnehmerkopf 8 ausgesetzt ist. Dies wird noch dadurch verstärkt, weil zum Anschluss des Wirbelstromaufnehmers zum Teil unterschiedliche Anschlusskabellängen erforderlich sind, die auch schon wegen ihres Ohmschen und kapazitiven Anteils an die vorgesehenen elektrischen Werte des Oszillatorschwingkreises angepasst werden müssen. So sind für den vorstehend beschriebenen Wirbelstromaufnehmer für die unterschiedlichen Einbausituationen zwei Anschlusskabellängen von 5 oder 10 m Länge vorgesehen, die fest mit dem Aufnehmer verbunden sind. Deshalb enthält der Wirbelstromaufnehmer am Ende des Anschlusskabels 6, vorzugsweise in seinem nicht dargestellten Anschlussstecker oder in einem Adapterstecker einen elektronischen Schaltkreis als Anpassungselektronik 16, die mindestens eine automatische Anpassung an ein 5 oder 10 m Anschlusskabel 6 vornimmt.
Diese Anpassungselektronik 16 ist in 2 der Zeichnung als Blockschaltbild schematisch dargestellt. Dabei ist der Wirbelstromaufnehmer schematisch als Induktivität der Messspule 2 und die Anschlussleitung 6 als Ohmscher Widerstand vorgesehen, die elektrisch mit der Anpassungselektronik 16 verbunden sind. Die Anpassungselektronik 16 enthält dabei in ihrem elektronischen Schaltkreis ein Kompensationsnetzwerk 17, das automatisch über einen elektronischen Schalter 18 als Schaltelement anschaltbar ist. Das Kompensationsnetzwerk 17 als auch der Wirbelstromaufnehmer werden dabei über eine Stromquelle 19 gespeist. Parallel zur Stromquelle 19 ist noch ein Kabellängenmessverstärker 20 als Kabelmessschaltung geschaltet, der die Länge des Kabels über dessen Spannungsabfall der einen Wert des ohmschen Widerstands darstellt, ermittelt und diese mit zwei vorgegebenen Spannungsabfällen für ein bekanntes 5 und 10 m Anschlusskabel 6 vergleicht und dadurch die angeschlossene Kabellänge bestimmt. Wurde dabei festgestellt, dass ein 5 m-Anschlusskabel 6 als Referenzkabel angeschaltet ist, bleibt der elektronische Schalter 18 geöffnet und es erfolgt keine Anpassung. Wird hingegen ein 10 m-Anschlusskabel 6 ermittelt, so wird der elektronische Schalter 18 geschlossen und das Kompensationsnetzwerk 17 an die Messleitung 27 des Anschlusskabels 6 angeschaltet. Das Kompensationsnetzwerk 17 enthält zusätzlich ohmsche, kapazitive und induktive Schaltelemente, durch die ein 10 m-Anschlusskabel 6 elektrisch wie ein 5 m-Anschlusskabel 6 wirkt. Das Kompensationsnetzwerk 17 kann aber auch so ausgebildet sein, dass es an beliebig vorgebbare Anschlusskabellängen als auch an mehr als zwei verschiedene Anschlusskabellängen anpassbar ist.
Die so kompensierten Messsignale werden in einer nachfolgenden Aufbereitungsschaltung 22 des elektronischen Schaltkreises zusätzlich gefiltert und linearisiert und nachfolgend in einem Messverstärker 23 verstärkt, so dass am Ausgang 25 ein genaues Messsignal anliegt, das dem Abstand des Aufnehmerkopfes 8 von dem jeweiligen Messobjekt entspricht.
Da die Anschlusskabel 6 insbesondere in der Nähe des Wirbelstromaufnehmers dem gleichen Temperaturbereich von –50 bis +180°C ausgesetzt sind, kann auch das Anschlusskabel 6 eine Temperaturdrift verursachen, wenn die Kabeltemperatur erheblich von der angepassten Betriebstemperatur von ca. 65°C als Referenztemperatur abweicht, die dann zu einem zusätzlichen Messfehler führt. Denn insbesondere der ohmsche Widerstand als auch die Kapazität des Anschlusskabels 6 sind temperaturabhängig und können den Oszillatorschwingkreis aus Messspule 2, Kapazität und ohmschem Widerstand verändern. Deshalb wird in der Anpassungselektronik 16 zusätzlich noch eine Korrekturschaltung 21 vorgesehen, durch die Temperaturabweichung des Anschlusskabels 6 von der Referenztemperatur ohne Temperaturdrift von z. B. 65°C ermittelt und entsprechend korrigiert wird. Dazu wird in der Korrekturschaltung 21 die jeweilige Kabeltemperatur durch den jeweiligen Spannungsabfall des Anschlusskabels 6 mit dem Referenzspannungsabfall verglichen, wobei deren Abweichung einen Wert der jeweiligen Kabeltemperatur darstellt. Dieser Abweichung werden dann in der Korrekturschaltung 21 Korrekturwerte als Spannungssignale zugeordnet, die in einer nachfolgenden Summationsschaltung 24 am Ausgang des Messverstärkers 23 den dortigen Messsignalen zur Korrektur aufaddiert werden. Auch dadurch lässt sich die Messgenauigkeit des Wirbelstromaufnehmers als Wegsensor auf einen Messfehler von maximal 1% verbessern.
Der vorstehend beschriebene Wirbelstromaufnehmer ist für einen Abstandsmessbereich bis 4 mm ausgelegt und erfasst den Abstand zu einem vorhandenen Messobjekt wie folgt:
Mit einem derartigen Wirbelstromaufnehmer als Wegsensor wird der Abstand eines Messobjekts aus elektrisch leitfähigem Material erfasst, das ins Magnetfeld vor dem Aufnehmerkopf 8 verbracht wird. Dazu wird die Messspule 2 von der Stromquelle 19 mit einem Wechselstrom von vorzugsweise 1 Mhz gespeist. Die Messspule 2 ist dabei mit einer Kapazität als Oszillatorschwingkreis geschaltet, der auf der Frequenz von 1 Mhz in Resonanz bei einer Referenztemperatur von 65°C abgestimmt ist. Als Kapazität ist dabei bereits die Leitungskapazität der 5 oder 10 m langen Anschlussleitung 6 nutzbar, die hier zusätzlich von dem temperaturunabhängigen Kondensator 1 ergänzt und insgesamt mit der Messspule 2 als Oszillatorschwingkreis in Resonanz betrieben wird.
Vor der Messspule 2 auf der Messseite 14 des Aufnehmerkopfes 8 bildet sich dadurch ein alternierendes Magnetfeld aus, durch das eine berührungslose Abstandsmessung ermöglicht wird. Sobald ein elektrisch leitfähiges Material als Messobjekt in dieses Magnetfeld verbracht wird, werden in dieses Wirbelströme induziert, die den Oszillatorschwingkreis bedämpfen. Zur Abstandmessung ist der Aufnehmerkopf 8 axial auf das Messobjekt ausgerichtet, so dass die Wirbelströme sich mit zunehmender Nähe zum Aufnehmerkopf 8 linear vergrößern und dadurch der Oszillatorschwingkreis proportional zur Entfernung bedämpft wird. Die daraus entstehende Signalspannung ist ein Maß für den Abstand und stellt ein entsprechendes Messsignal dar, das am Ausgang 25 der. Anpassungselektronik 16 zur Auswertung anliegt.
Da ein derartiger Abstandssensor häufig unter ungünstigen Umweltbedingungen bei Außendrücken bis ca. 100 bar, oder in chemisch aggressiven Medien bei hoher Luftfeuchtigkeit oder unter Wasser und einem Temperaturbereich von –50 bis +180°C eingesetzt wird, ist zur Temperaturkompensation die Messspule 2 aus einer gut leitenden Kupfer-Mangan-Legierung gefertigt, durch die die resultierende Temperaturdrift sehr gering gehalten werden kann. Da diese noch durch die verringerte Feuchtigkeitsaufnahme aufgrund der Verwendung einer dünnen Backlack-Schicht verbessert wird, sind bereits durch diese Maßnahmen Messgenauigkeiten von maximal 1% erzielbar. Das bedeutet bei dem vorgesehenen Messbereich von 4 mm einen Messfehler von 4/100 mm.
Die hohe Messgenauigkeit wird zusätzlich noch durch die automatische Anpassung an zwei unterschiedliche Anschlusskabellängen durch die Anpassungselektronik 16 erweitert. Mit dem Kompensationsnetzwerk 17 in der Anpassungselektronik 16 wird die Oszillatorschaltung auf die einer kurzen Anschlussleitungslänge vorzugsweise 5 m als Referenzlänge angepasst, so dass nicht bei 10 m Kabellänge eine gesonderte Anpassungsschaltung 16 vorgehalten werden muss.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3020624 A1 [0006]
DE 19635298 A1 [0007]
DE 19539975 B4 [0008]

Claims

Wirbelstromaufnehmer, der einen Oszillator-Schwingkreis mit einer Kapazität (1) und mindestens einer Messspule (2) enthält, wobei der Wicklungsdraht aus einer Legierung aus Kupfer und Mangan oder Kupfer und Nickel besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (2) als selbsttragende Wicklung ausgebildet ist, wobei der Wicklungsdraht zur Isolation mit einem Grundlack und zur Verklebung zusätzlich mit einer dünnen Schicht eines Backlack auf Polyamidbasis umgeben ist, wobei die Backlack-Schicht höchstens eine Dicke von 0,5 bis 1,5% vom Drahtdurchmesser aufweist.
Wirbelstromaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser aus der Messspule (2), einem unmagnetischen keramischen Spulenträger (3), einer keramischen Spulenkappe (4), einem Kondensator (1), einer Metallhülse (5) und einem Anschlusskabel (6) besteht, die durch ein Hochtemperatur-Epoxydkleber (7) hermetisch dicht miteinander verbunden sind.
Wirbelstromaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (2) am Aufnehmerkopf (8) koaxial auf einen zylindrischen Zapfen (9) des keramischen Spulenträgers (3) angeordnet ist, wobei die. Messspule (2) über eine axiale und radiale Silikonschicht (10) elastisch mit dem keramischen Spulenträger (3) verbunden ist und dass die Spulenwicklung (2) durch die keramische Spulenkappe (4) gegenüber dem keramischen Spulenträger (3) dicht mit diesem durch den Hochtemperatur-Epoxydkleber (7) verbunden ist, wobei im Spulenträger (3) noch mindestens ein axialer Ausgleichskanal (11) zur Durchführung der Spulenanschlussdrähte (12) und zur Aufnahme des Kondensators (1) des Oszillator-Schaltkreises vorgsehen ist, der nach dem Verlöten ebenfalls mit einer Silikonschicht (10) ausgefüllt wird.
Wirbelstromaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenträger (3) in axialer Fortsetzung zum Aufnehmerkopf (8) einen zylindrischen Fortsatz (13) aufweist, dessen Durchmesser gegenüber dem Kopfteil (8) des Spulenträgers (3) verringert ist und der koaxial innenliegend mit der Metallhülse (5) über einen Hochtemperatur-Epoxydkleber (7) verklebt ist, wobei in die Metallhülse (5) das Anschlusskabel (6) axial bis zum Spulenträger (3) eingeführt ist, das mittels des Hochtemperatur-Epoxydklebers (7) hermetisch dicht mit der Metallhülse (5) verklebt ist.
Wirbelstromaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Spulenkappe (4) hutförmig ausgebildet ist und axial überlappend auf einer Druchmesserabstufung (26) des Spulenträgers (3) formschlüssig aufgeklebt ist, wobei zwischen der inneren Mantelfläche der Spulenkappe (4) und der äußeren Mantelfläche der Durchmesserabstufung (26) des Spulenträgers (3) bis zur Messspule (2) eine dünne axiale Schicht des Hochtemperatur-Epoxydklebers (7) vorgesehen ist, deren Länge mindestens das Doppelte der Spulenlänge aufweist.
Wirbelstromaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusskabel (6) mit einer Anpassungselektronik (16) verbunden ist, wobei die Anpassungselektronik (16) ein Kompensationsnetzwerk (17), ein Schaltelement (18) und eine Kabelmessschaltung (20) enthält, wobei die Kabelmessschaltung (20) einen Wert für den ohmschen Widerstand des angeschlossenen Anschlusskabels (6) erfasst und daraus einen Wert für deren Länge ermittelt, und dann ein Schaltelement (18) betätigt, wenn die ermittelte Kabellänge von einer vorgegebenen Referenzlänge abweicht, wodurch das Kompensationsnetzwerk (17) an die Messleitung (27) des Anschlusskabels (6) geschaltet wird, wodurch das Kompensationsnetzwerk (17) die angeschlossene Anschlussleitung elektrisch so anpasst, das es der Referenzanschlusslänge entspricht.
Wirbelstromaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassungselektronik (16) zusätzlich eine Korrekturschaltung (21) und eine Summationsschaltung (24) enthält, wobei die Kabelmessschaltung (20) einen Wert für den ohmschen Widerstand des angeschlossenen Anschlusskabels (6) erfasst und in der Korrekturschaltung (21) daraus einen Wert für die Kabeltemperatur ermittelt, diese mit dem Wert für den Widerstand einer Referenztemperatur vergleicht und bei einer Abweichung ein Korrektursignal bildet, und damit das Messsignal korrigiert.
Verfahren zum Messen des Abstands eines elektrisch leitfähigen Messobjekts von der Messseite (14) eines Wirbelstromaufnehmers mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines elektronischen Schaltkreises in einer Anpassungselektronik (16) ein elektrischer Wert erfasst wird, der dem ohmschen Widerstand des angeschlossenen Anschlusskabels (6) entspricht und dieser Wert mit dem Wert eines bekannten Referenzkabels verglichen wird und bei einer vorgegebenen Abweichung ein Schaltelement (18) angesteuert wird, durch das ein elektronisches Kompensationsnetzwerk (17) an die Messleitung (27) des angeschlossenen Anschlusskabels (6) geschaltet wird, durch das das angeschlossene Anschlusskabel (6) an die Länge des bekannten Referenzkabels elektrisch angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektronischer Schaltkreis in der Anpassungselektronik (16) einen elektrischen Wert des angeschlossenen Anschlusskabels (6) erfasst, der der Kabeltemperatur entspricht und diesen mit dem elektrischen Wert einer vorgegebenen Referenztemperatur vergleicht und bei einer vorgegebenen Abweichung einen Korrektursignal bildet und dies mit dem ursprünglichen Abstandsmesssignal verknüpft.