DE102020133742A1

DE102020133742A1 - Differentialtransformator und Messeinrichtung

Info

Publication number: DE102020133742A1
Application number: DE102020133742.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Zimmermann; Marc Berger
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Differentialtransformator mit wenigstens einem ersten magnetischen Kern, einer ersten Primärspule, einer mit der ersten Primärspule über den ersten magnetischen Kern magnetisch gekoppelten ersten Sekundärspule und einer zweiten Sekundärspule, wobei die erste Primärspule und die erste Sekundärspule mit dem ersten magnetischen Kern einen ersten Transformator bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Differentialtransformator eine zweite Primärspule hat, die von der ersten Primärspule baulich getrennt ist und über den ersten magnetischen Kern oder einen separaten zweiten magnetischen Kern mit der zweiten Sekundärspule magnetisch gekoppelt ist, wobei die zweite Primärspule und die zweite Sekundärspule mit dem ersten magnetischen Kern oder dem zweiten magnetischen Kern einen zweiten Transformator bilden, wobei der zweite Transformator vom ersten Transformator zumindest teilweise magnetisch entkoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Differentialtransformator mit wenigstens einem ersten magnetischen Kern, einer ersten Primärspule, einer mit der ersten Primärspule über den ersten magnetischen Kern magnetisch gekoppelten ersten Sekundärspule und einer zweiten Sekundärspule, wobei die erste Primärspule und die erste Sekundärspule mit dem ersten magnetischen Kern einen ersten Transformator bilden. Die Erfindung betrifft außerdem eine Messeinrichtung mit einem solchen Differentialtransformator.
Differentialtransformatoren sind eine spezielle Art von Transformatoren, die verschiedenen Zwecken im Bereich der Sensorik dienen. Ein Beispiel ist der sogenannte „linear variable Differentialtransformator“, bei welchem sich i.d.R. ein beweglicher magnetischer Kern innerhalb einer Anordnung aus drei koaxialen Spulen befindet. Diese Spulen sind symmetrisch zueinander angeordnet. Bei der mittleren Spule handelt es sich um die Primärspule, welche mit einer Wechselspannung konstanter Amplitude angeregt wird. Bei den beiden äußeren Spulen handelt es sich um die Sekundärspulen, welche differentiell zueinander verschaltet sind. Durch diesen Aufbau ergibt sich bei einer relativen Verschiebung des magnetischen Kerns zu den Spulen eine Störung der Symmetrie, wodurch eine messbare Ausgangsspannung an den verschalteten Sekundärspulen induziert wird. Diese Ausgangsspannung korrespondiert sehr gut mit der Verschiebung des magnetischen Kerns. Hierdurch lassen sich Weg-, Positions- und Kraftsensoren realisieren.
Eine weitere Anwendung ergibt sich durch einen fixierten magnetischen Kern, welcher sich infolge dessen nicht mehr relativ zu den Spulen bewegen lässt. Wird ein zu untersuchendes Medium mit einer geringeren räumlichen Distanz zu einer der beiden Sekundärspulen des Differentialtransformators gebracht, lassen sich durch diese Anordnung nicht nur die magnetischen Eigenschaften, sondern auch sowohl die elektrischen Eigenschaften, wie z. B. die Leitfähigkeit des Mediums, als auch die dielektrischen Eigenschaften, wie z. B. die Permittivität des Mediums, bestimmen. Bei nicht magnetisierbaren Stoffen beruht dieser Messeffekt auf induzierten Wirbel- und Verschiebeströmen innerhalb des zu untersuchenden Mediums, verursacht von dem magnetischen Wechselfeld der angeregten Primärspule. Diese induzierten Ströme bewirken eine Dämpfung des verursachenden magnetischen Feldes. Aufgrund der asymmetrischen Anordnung des Mediums zum Differentialtransformator lässt sich am Ausgang der differentiell verschalteten Sekundärspulen eine Ausgangsspannung messen. Da magnetische Felder sehr gut Kunststoffe und Gläser durchdringen können, eignet sich dieses Messverfahren gut zur kontaktlosen Bestimmung von den elektrischen und dielektrischen Eigenschaften eines Mediums, welches sich innerhalb eines Kunststoff- oder Glasbehälters befindet oder geführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Differentialtransformator und eine Messeinrichtung mit verbesserter Messempfindlichkeit anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem Differentialtransformator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Differentialtransformator eine zweite Primärspule hat, die von der ersten Primärspule baulich getrennt ist und über den ersten magnetischen Kern oder einen separaten zweiten magnetischen Kern mit der zweiten Sekundärspule magnetisch gekoppelt ist, wobei die zweite Primärspule und die zweite Sekundärspule mit dem ersten magnetischen Kern oder dem zweiten magnetischen Kern einen zweiten Transformator bilden, wobei der zweite Transformator vom ersten Transformator zumindest teilweise magnetisch entkoppelt ist. Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit geringem zusätzlichem Aufwand die Messempfindlichkeit des Differentialtransformators deutlich verbessert werden kann. Bei gleichbleibender Sensitivität kann eine Miniaturisierung des Aufbaus des Differentialtransformators erreicht werden. Hierfür ist lediglich die bisher durchgehende Primärspule in voneinander baulich getrennte erste und zweite Primärspulen aufzuteilen und die auf diese Weise gebildeten separaten Transformatoren zumindest teilweise magnetisch zu entkoppein.
Es ist dabei vorteilhaft, wenn der zweite Transformator vollständig oder zumindest weitgehend vom ersten Transformator magnetisch entkoppelt ist, d.h. die magnetische Kopplung gegenüber einem konventionellen Differentialtransformator mit nur einer Primärspule um wenigstens 50 % verringert ist.
Um den zweiten Transformator vom ersten Transformator zumindest teilweise magnetisch zu entkoppeln, stehen eine Reihe von konstruktiven Lösungsmöglichkeiten bereit, so dass der erfindungsgemäße Differentialtransformator besonders gut an unterschiedliche äußere Gegebenheiten angepasst werden kann. Der erfindungsgemäße Differentialtransformator eignet sich besonders zur vollständig kontaktlosen Bestimmung von elektrischen und dielektrischen Eigenschaften eines flüssigen Mediums.
Ein weiterer Vorteil der in eine erste und eine zweite Primärspule aufgeteilten Primärspule besteht darin, dass diese Anordnung zugleich auch zur Kompensation von Asymmetrien im Aufbau des Differentialtransformators eingesetzt werden kann. Hierdurch kann eine zusätzliche Spule, die zum Beispiel nur zur Kompensation solcher Asymmetrien hinzugefügt wurde, entfallen.
Der erste und/oder zweite magnetische Kern kann vorteilhaft aus einem weichmagnetischen Werkstoff bestehen, der keine oder nur eine geringe magnetische Hysterese hat, wofür z.B. Weicheisen (bspw. Dynamobleche) oder verschiedene Legierungen hochpermeabler Metalle wie z.B. Eisen, Kobalt und/oder Nickel (bspw. Mu-Metall, Permalloy oder Supermalloy) oder verschiedene Eisenoxide (bspw. verschiedene Ferrite wie Hämatit oder Magnetit) in Frage kommen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat die erste Sekundärspule die gleiche Induktivität wie die zweite Sekundärspule. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat die erste Primärspule die gleiche Induktivität wie die zweite Primärspule.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten Transformator und dem zweiten Transformator wenigstens eine magnetische Abschirmschicht angeordnet ist, durch die der zweite Transformator vom ersten Transformator zumindest teilweise magnetisch abgeschirmt ist. Eine solche magnetische Abschirmschicht ist eine vorteilhafte Möglichkeit, um die Entkopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Transformator zu realisieren. Die magnetische Abschirmschicht kann vorteilhaft aus einem magnetisch abschirmenden Material mit einer hohen relativen Permeabilität gebildet sein, zum Beispiel mit einer relativen Permeabilität µ von wenigstens 150 oder wenigstens 300. Ferner kann die magnetische Abschirmschicht relativ dünn gestaltet werden, zum Beispiel als Platte oder Folie aus dem magnetisch abschirmenden Material. Die Dicke der magnetischen Abschirmschicht kann zum Beispiel im Bereich von einigen Mikrometern bis hin zu einigen Millimetern liegen, zum Beispiel im Bereich von 1 µm bis 10 mm. Darüber hinaus kann die Dicke der magnetischen Abschirmschicht auch einige Zentimeter betragen. Als magnetisch abschirmendes Material eignet sich z.B. die oben genannten weichmagnetischen Werkstoffe wie Ferrit, Eisenlegierungen oder Weicheisen.
Der Radius dieser magnetischen Abschirmschicht kann zum Beispiel wenigstens so groß sein wie der äußere Radius einer am ersten magnetischen Kern und/oder an der ersten Sekundärspule entlang geführten Flüssigkeitsleitung oder der größten Spule der Anordnung, d.h. der ersten Primärspule, der zweiten Primärspule, der ersten Sekundärspule und der zweiten Sekundärspule. Durch weiteres Vergrößern des Radius der magnetischen Abschirmschicht kann die magnetische Entkopplung des ersten Transformators vom zweiten Transformator noch weiter verbessert werden.
Die erste Primärspule kann näher an der magnetischen Abschirmschicht angeordnet sein als die erste Sekundärspule. Die zweite Primärspule kann näher an der magnetischen Abschirmschicht angeordnet sein als die zweite Sekundärspule. Dies erlaubt eine vorteilhafte konstruktive Realisierung des erfindungsgemäßen Differentialtransformators mit weitgehender Entkopplung zwischen dem ersten und den zweiten Transformator.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste magnetische Kern vom zweiten magnetischen Kern durch eine Zwischenschicht baulich und/oder magnetisch separiert ist. Dies ist eine weitere relativ einfach zu realisierende und daher auch besonders vorteilhafte Möglichkeit für die magnetische Entkopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Transformator. Die Zwischenschicht kann beispielsweise eine Luftschicht oder die zuvor erwähnte magnetische Abschirmschicht sein, oder eine Kombination solcher Schichten. Beispielsweise kann der erste Transformator eine erste magnetische Abschirmschicht aufweisen, auf die eine Luftschicht folgt und an die sich eine zweite magnetische Abschirmschicht des zweiten Transformators anschließt. Die Zwischenschicht muss nicht besondere magnetische Abschirmeigenschaften haben, d.h. nicht unbedingt eine hohe relative Permeabilität, sie soll im Wesentlichen durch die bauliche Trennung förderlich für die magnetische Entkopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Transformator sein. Beispielsweise kann die Zwischenschicht auch zumindest teilweise aus Kunststoff bestehen.
Durch das Separieren des ersten magnetischen Kerns vom zweiten magnetischen Kern können der erste und der zweite Transformator insgesamt baulich voneinander getrennt werden, was den Vorteil hat, dass sie grundsätzlich an verschiedenen Orten angeordnet werden können, oder zumindest derart verschoben oder versetzt oder verdreht zueinander angeordnet werden können, dass die magnetische Kopplung zwischen dem ersten mit dem zweiten Transformator schon dadurch verringert ist, dass die magnetischen Kerne nicht mehr fluchtend miteinander angeordnet sind, wie es beim klassischen Differentialtransformator mit nur einem magnetischen Kern zwangsläufig der Fall ist.
Der Differentialtransformator kann als eine Baueinheit ausgebildet sein, die den ersten und den zweiten Transformator aufweist, z.B. in einem gemeinsamen Gehäuse.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Transformator räumlich von dem zweiten Transformator getrennt ist. Hierdurch kann die magnetische Entkopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Transformator auf einfache Weise verbessert werden. So können der erste und der zweite Transformator als separate Baueinheiten ausgebildet sein, die beispielsweise in einem Gehäuse einer Messeinrichtung an unterschiedlichen, voneinander entfernten Positionen angeordnet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass, insbesondere, wenn der erste und der zweite Transformator in einer Flucht ist, der Abstand zwischen der ersten Sekundärspule und der zweiten Sekundärspule größer ist als der Abstand zwischen der ersten Primärspule und der zweiten Primärspule. Die erste und die zweite Primärspule können zwischen der ersten und der zweiten Sekundärspule angeordnet sein. Bei räumlicher Trennung des ersten und des zweiten gebildeten Transformators durch zum Beispiel verschieben oder verdrehen der Achsen kann hiervon abgesehen werden. Diese erlaubt eine vorteilhafte Konstruktion eines Differentialtransformators mit hoher Sensitivität und zugleich kompakter Bauweise.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Differentialtransformator eine Flüssigkeitsleitung hat, durch die eine messtechnisch zu erfassende Flüssigkeit geleitet werden kann, wobei die Flüssigkeitsleitung am ersten magnetischen Kern und/oder an der ersten Sekundärspule entlanggeführt ist. Dies hat den Vorteil, dass der Differentialtransformator in einfacher Weise zur Sensierung von elektrischen und dielektrischen Eigenschaften eines flüssigen Mediums eingesetzt werden kann. Auch Parameter von Festkörpern könnten erfasst werden (z.B. Leitfähigkeit). Einsatzmöglichkeiten wären die zerstörungsfreie Materialprüfung von metallischen Werkstoffen.
Ein unabhängiger Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Differentialtransformator mit wenigstens einem ersten magnetischen Kern, einer ersten Primärspule, einer mit der ersten Primärspule über den ersten magnetischen Kern magnetisch gekoppelten ersten Sekundärspule und einer zweiten Sekundärspule, wobei der Differentialtransformator eine Flüssigkeitsleitung hat, durch die eine messtechnisch zu erfassende Flüssigkeit geleitet werden kann, wobei die Flüssigkeitsleitung in einer oder mehreren Windungen um den ersten magnetischen Kern gewickelt ist. Hierdurch kann eine besonders innovative Führung eines flüssigen Mediums für einen Differentialtransformator realisiert werden, der zur vollständig kontaktlosen Bestimmung von elektrischen und dielektrischen Eigenschaften eines flüssigen Mediums eingesetzt werden soll. Ein solcher Differentialtransformator kann besonders vorteilhaft dafür eingesetzt werden, Parameter eines flüssigen schlauchgeführten Mediums der chemischen Prozesstechnik oder eine Stoffkonzentration innerhalb von Blut bei einem extrakorporalen Kreislauf zu bestimmen.
Durch eine solche Führung des flüssigen Mediums kann eine besonders hohe Messgenauigkeit und Sensitivität bei der Erfassung von Parametern des flüssigen Mediums realisiert werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Flüssigkeitsleitung aus einem Material mit geringer elektrischer Leitfähigkeit und geringer Permeabilität besteht, zum Beispiel aus Kunststoff. Die Flüssigkeitsleitung kann zum Beispiel als Schlauch oder Rohr ausgebildet sein. Somit kann das koaxial geführte flüssige Medium, welches sich möglicherweise ohnehin schon in einem Schlauchsystem befindet (z. B. bei der Natriumbestimmung während einer Dialysebehandlung), auch in diesem weiterhin bleiben. Hierdurch wird die Hämokompatibilität gesteigert, bei gleichzeitig verringertem konstruktiven Aufwand, da eine anwendungsspezifische Entwicklung der Messkammer obsolet ist.
Bei dem Differentialtransformator bilden die erste Primärspule und die erste Sekundärspule mit dem ersten magnetischen Kern einen ersten Transformator. Der Differentialtransformator kann eine einzige (durchgehende) erste Primärspule haben, d.h. nicht die oben erwähnte zweite Primärspule. Dann ist die erste Primärspule über den ersten magnetischen Kern mit der zweiten Sekundärspule magnetisch gekoppelt, wobei die erste Primärspule und die zweite Sekundärspule mit dem ersten magnetischen Kern den zweiten Transformator bilden. Der Differentialtransformator kann auch gemäß Anspruch 1 ausgebildet sein, d.h. mit der zweiten Primärspule, die von der ersten Primärspule baulich getrennt ist. Der Differentialtransformator kann auch gemäß wenigstens einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Flüssigkeitsleitung in mehreren axialen Lagen und/oder mehreren radialen Lagen um den ersten magnetischen Kern gewickelt ist. Auf diese Weise kann die Sensitivität des Differentialtransformators bei der Erfassung von Parametern von Flüssigkeiten erheblich gesteigert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste magnetische Kern relativ zur ersten Primärspule fixiert ist. Auf diese Weise ist der Differentialtransformator besonders geeignet für die kontaktlose Erfassung von Flüssigkeitsparametern. Der zweite Transformator kann relativ zum ersten Transformator fixiert sein. Der zweite magnetische Kern kann relativ zur zweiten Primärspule fixiert sein.
Der Differentialtransformator kann auch mit einem beweglichen ersten magnetischen Kern ausgebildet sein. Der Differentialtransformator eignet sich dann z.B. für einen Weg-, Positions- oder Kraftsensor.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Differentialtransformator oder ein Teil des Differentialtransformators, insbesondere der erste Transformator und/oder der zweite Transformator, an einer, mehreren oder allen Außenseiten von magnetisch abschirmenden Material umgeben ist, z.B. in Form von einer oder mehreren Seitenwänden und/oder einer Verschlusswand, die den jeweiligen Transformator auf der der magnetischen Abschirmschicht diametral abgewandten Seite abschließt. Hierdurch kann sowohl die Messgenauigkeit des Differentialtransformators als auch die Messempfindlichkeit aufgrund eine verbesserte Führung der Magnetfelder weiter gesteigert werden. Der Differentialtransformator wird hierdurch noch unempfindlicher gegenüber äußeren magnetischen Störeinflüssen. Zudem kann die Entkopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Transformator weiter verbessert werden. Durch solche umgebenden Wände kann der magnetische Kreis zunehmend oder vollständig geschlossen werden, wodurch sich auch äußere Umgebungseinflüsse weitgehend abschirmen lassen. Darüber hinaus lässt sich das Magnetfeld der Primärspule gezielter in das Medium leiten und das durch die Wirbel- und Verschiebeströme innerhalb des Mediums entstehende Magnetfeld besser in eine der Sekundärspulen leiten, was die Messempfindlichkeit erhöht. Dies kann durch Hinzufügen von radial und/oder axial verlaufenden Wänden aus einem Material mit relativ hoher relativer Permeabilität erreicht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wicklungen der ersten und der zweiten Sekundärspule differentiell in Reihe geschaltet sind. Die Wicklungen der ersten und der zweiten Sekundärspule sind somit elektrisch miteinander verbunden und geben entgegengesetzte Signale ab, so dass an den zwei Ausgangsanschlüssen der Reihenschaltung das gewünschte differentielle Signal entsteht. Auf diese Weise sind die Sekundärspulen differentiell zueinander verschaltet. Die Wicklungen der ersten und der zweiten Sekundärspule können mit entgegengesetztem Wicklungssinn direkt in Reihe geschaltet sein oder bei gleichem Wicklungssinn entgegengesetzt in Reihe geschaltet sein. Auf diese Weise geben die Sekundärspulen ein differentielles Signal ab, mit dem nach einer entsprechenden Verstärkung besonders empfindlich auch kleine Veränderungen im magnetischen Feld des ersten Transformators sensiert werden können.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Messeinrichtung zur Erfassung einer Messgröße, wobei die Messeinrichtung einen Differentialtransformator der zuvor erläuterten Art hat. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Primärspule mit Wechselspannung und/oder Wechselstrom gleicher Amplitude und/oder Phasenlage und/oder Frequenz beaufschlagt sind. An den Sekundärspulen kann dann das differentielle Messsignal aufgenommen und ausgewertet werden. Auf diese Weise kann symmetrischem Aufbau des Differentialtransformators eine hohe Messempfindlichkeit erreicht werden. Beispielsweise können die erste und die zweite Primärspule in Reihe geschaltet werden und mit derselben Wechselspannungsquelle verbunden sein, oder sie werden parallel geschaltet und mit derselben Wechselspannungsquelle verbunden. Statt Wechselspannungsquellen können auch Wechselstromquellen eingesetzt werden.
Es ist auch möglich, die erste Primärspule mit einer ersten Wechselspannungsquelle/Wechselstromquelle und die zweite Primärspule mit einer zweiten Wechselspannungsquelle/Wechselstromquelle zu verbinden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Primärspule mit einer ersten Wechselspannung und/oder einem ersten Wechselstrom beaufschlagt ist und die zweite Primärspule mit einer zweiten Wechselspannung und/oder einem zweiten Wechselstrom beaufschlagt ist, wobei sich die erste und die zweite Wechselspannung oder der erste und der zweite Wechselstrom sich in einem, mehreren oder allen der folgenden Kenngrößen unterscheiden: Amplitude, Phasenlage, Frequenz. Dabei lassen sich möglicherweise unerwünschte Asymmetrien des Aufbaus dadurch kompensieren, dass die beiden Primärspulen mit unterschiedlicher Amplitude oder Phasenlage gespießt werden, ohne das hierfür eine zusätzliche eigens zur Kompensation eingesetzte Spule nötig ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass an den miteinander verschalteten Sekundärspulen ein Messverstärker und/oder eine Messauswerteeinrichtung angeschlossen ist. Hierdurch kann das Messsignal in einer für den Anwender verwertbaren Weise aufbereitet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen erläutert.
Es zeigen

1 bis 7 verschiedene Ausführungsformen von Differentialtransformatoren in seitlicher Schnittansicht und
8 bis 11 verschiedene Ausführungsformen von Messeinrichtungen.

Die in den 1 bis 7 dargestellten Differentialtransformatoren 9 können einen zylindrischen, rechteckigen, quadratischen oder sonstigen mehreckigen Querschnitt haben, insbesondere können sie um die gestrichelt dargestellte Längsachse rotationssymmetrisch ausgebildet sein.
Die 1 zeigt eine Rundversion des erfindungsgemäßen Differentialtransformators 9, die einen durchgehenden ersten magnetischen Kern 13 und mehrere auf dem ersten magnetischen Kern 13 angeordnete Spulen hat, nämlich eine erste Primärspule 11, eine erste Sekundärspule 12, eine zweite Primärspule 21 und eine zweite Sekundärspule 22. Die genannten Spulen sind koaxial um den ersten magnetischen Kern 13 herum angeordnet. Dabei bildet die erste Primärspule 11, die erste Sekundärspule 12 und ein Abschnitt des ersten magnetischen Kerns 13 einen ersten Transformator 1. Die zweite Primärspule 21, die zweite Sekundärspule 22 und ein weiterer Abschnitt des ersten magnetischen Kerns 13 bilden einen zweiten Transformator 2.
Der Differentialtransformator 9 dient zur Erfassung von Parametern von Flüssigkeiten. Auch Parameter von Festkörpern könnten erfasst werden (z.B. Leitfähigkeit). Einsatzmöglichkeiten wären die zerstörungsfreie Materialprüfung von metallischen Werkstoffen. Der Differentialtransformator 13 weist daher eine Flüssigkeitsleitung 3 auf, die an dem ersten magnetischen Kern 13 entlanggeführt ist, z.B. seitlich an dem ersten magnetischen Kern 13 entlang oder an beiden Seiten um den ersten magnetischen Kern 13 herum. Der erste magnetische Kern 13 muss das Medium nicht zwingend durchdringen, sondern kann prinzipiell auch bündig mit diesem abschießen. Um den zweiten Transformator 2 vom ersten Transformator 1 zumindest teilweise magnetisch zu entkoppeln, ist zwischen der ersten Primärspule 11 und der zweiten Primärspule 21 eine erste magnetische Abschirmschicht 14 angeordnet, z.B. eine Folie oder Platte aus einem magnetisch abschirmenden Material.
Die 2 zeigt eine erweiterte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Differentialtransformators 9, bei dem gegenüber der Ausführungsform der 1 der durchgehende magnetische Kern aufgeteilt ist in einen ersten magnetischen Kern 13 und einen davon getrennten zweiten magnetischen Kern 23. Der erste magnetische Kern 13 ist dem ersten Transformator 1 zugeordnet, d.h. die erste Primärspule 11 und die erste Sekundärspule 12 sind koaxial um diesen ersten magnetischen Kern 13 herum angeordnet. Der zweite magnetische Kern 23 ist dem zweiten Transformator 2 zugeordnet, d.h. die zweite Primärspule 21 und die zweite Sekundärspule 22 sind koaxial um den zweiten magnetischen Kern 23 angeordnet.
Zusätzlich kann, wie in der 2 dargestellt, die magnetische Entkopplung zwischen dem ersten Transformator 1 und dem zweiten Transformator 2 dadurch verstärkt werden, dass der erste magnetische Kern 13 auch baulich durch eine Zwischenschicht 8 vom zweiten magnetischen Kern 23 separiert ist, sodass im Ergebnis der erste Transformator 1 ebenfalls baulich vom zweiten Transformator 2 separiert ist. Dabei kann an dem ersten Transformator 1 an der zum zweiten Transformator 2 gewandten Seite wiederum eine erste magnetische Abschirmschicht 14 aus magnetisch abschirmendem Material vorhanden sein. In analoger Weise kann an dem zweiten Transformator 2 an der zum ersten Transformator 1 gewandten Seite eine zweite magnetische Abschirmschicht 24 aus magnetisch abschirmenden Material angeordnet sein.
Die 3 zeigt eine zusätzliche Erweiterungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Differentialtransformators 9, die von der Ausführungsform der 1 ausgeht. Gegenüber der 1 wurden eine oder mehrere Seitenwände 15 ergänzt, die den ersten Transformator 1 umgeben und zur Umgebung hin magnetisch abschirmen. Die ersten Seitenwände 15 sind aus magnetisch abschirmendem Material, z.B. dem gleichen Material wie die erste magnetische Abschirmschicht 14. In vergleichbarer Weise wurden eine oder mehrere zweite Seitenwände 25 ergänzt, die den zweiten Transformator 2 umgeben und zur Umgebung hin magnetisch abschirmen. Die zweiten Seitenwände 25 sind aus magnetisch abschirmendem Material, z.B. dem gleichen Material wie die erste magnetische Abschirmschicht 14.
Die 4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Differentialtransformators, die auf der Ausführungsform der 2 basiert und um die anhand der 3 erläuterten ersten Seitenwände 15 und zweiten Seitenwände 25 ergänzt wurde. Hierbei befindet sich zwischen dem ersten Transformator 1 und dem zweiten Transformator 2 wiederum die Zwischenschicht 8, die in diesem Fall auch die erste Seitenwand 15 von der zweiten Seitenwand 25 baulich separiert.
Die 5 zeigt eine Erweiterung eines erfindungsgemäßen Differentialtransformators 9, der auf der Ausführungsform der 3 basiert und um eine erste Verschlusswand 16 ergänzt wurde, die den ersten Transformator 1 an der vom zweiten Transformator 2 abgewandten Seite abdeckt und damit verschließt. In vergleichbarer Weise wurde am zweiten Transformator 2 eine zweite Verschlusswand 26 ergänzt, die den zweiten Transformator 2 an der vom ersten Transformator 1 abgewandten Seite abdeckt und verschließt. Hierdurch kann die Abschirmwirkung zur Umgebung hin weiter gesteigert werden. Zudem wird der magnetische Kreis um den ersten Transformator 1 bzw. den zweiten Transformator 2 hin vollständig oder zumindest weitgehend geschlossen. Die erste Verschlusswand 16 und/oder die zweite Verschlusswand 26 kann aus einem magnetisch abschirmenden Material sein, z.B. dem gleichen Material wie die erste magnetische Abschirmschicht 14.
Die 6 zeigt eine Ausführungsform eines Differentialtransformators 9, die auf der Ausführungsform der 4 beruht und, analog wie die Ausführungsform von 5, um die erste Verschlusswand 16 und die zweite Verschlusswand 26 ergänzt wurde.
Die magnetische Entkopplung des ersten Transformators 1 vom zweiten Transformator 2 steigt mit der Länge der ersten Seitenwand 15 bzw. der zweiten Seitenwand 25. Daher sollte die erste Seitenwand 15 bzw. die zweite Seitenwand 25 idealerweise bis zur baulichen Grenze des jeweiligen ersten oder zweiten Transformators 1, 2 oder darüber hinaus sich erstrecken.
Die 7 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Differentialtransformators 9, die auf der Ausführungsform der 1 beruht. Gegenüber der 1 wurde die Flüssigkeitsleitung 3 spezifisch in Form eines Schlauchs 4 (oder Rohrs) ausgebildet, der in mehreren axialen Lagen und/oder in mehreren radialen Lagen um den ersten magnetischen Kern 13 gewickelt ist. Beispielhaft ist dargestellt, dass die radial innere Wicklungslage in axialer Richtung drei übereinanderliegende Wicklungslagen hat. Darauf ist eine radial äußere Wicklungslage aufgebracht, die in axialer Richtung zwei übereinanderliegende Wicklungslagen hat. Der Schlauch 4 oder das Rohr kann z.B. als Kunststoffschlauch ausgebildet sein, wobei grundsätzliche alle Materialien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit und Permeabilität günstig sind.
Die Ausführungsform des Differentialtransformators 9 mit dem Schlauch 4 oder dem Rohr kann auch mit allen anderen Ausführungsformen der 2 bis 6 kombiniert werden.
Die 8 zeigt eine Messeinrichtung zur Erfassung einer Messgröße, die einen Differentialtransformator 9 der zuvor erläuterten Art hat. Hierfür eignen sich sämtliche zuvor erläuterten Ausführungsformen der 1 bis 7, auch Kombinationen davon. Dabei sind die Wicklungen der ersten und der zweiten Sekundärspule 12, 22 elektrisch miteinander in Reihe geschaltet, wobei die erste und die zweite Sekundärspule 12, 22 einen entgegengesetzten Wicklungssinn haben, sodass am Ausgang der Reihenschaltung der ersten und der zweiten Sekundärspule 12, 22 ein differentielles Messsignal entsteht. An den Anschlüssen der ersten und der zweiten Sekundärspule 12, 22 ist eine Messauswerteeinrichtung 5 angeschlossen, z.B. ein Spannungs- oder Strom-Messgerät, oder eine elektronische Messauswerteeinrichtung, die eine Auswertung der abgegebenen Signale im Zeitbereich und/oder Frequenzbereich durchführt.
In der Ausführungsform der 8 sind die erste Primärspule 11 und die zweite Primärspule 21 mit gleichem Wicklungssinn in Reihe geschaltet und mit einer Wechselspannungsquelle 6 oder einer Wechselstromquelle 7 verbunden. Hierdurch wird ein symmetrischer Grundaufbau des Differentialtransformators 9 erreicht. Die in den 8 bis 10 dargestellten Punkte geben den Wicklungssinn der jeweiligen Spule.
Wie die 9 zeigt, können die erste Primärspule 11 und die zweite Primärspule 21 auch parallel geschaltet werden. Diese Parallelschaltung kann dann mit der Wechselspannungsquelle 6 oder der Wechselstromquelle 7 verbunden werden.
Es ist auch möglich, wie in der 10 dargestellt ist, dass die erste Primärspule 11 und die zweite Primärspule 21 jeweils individuell von unterschiedlichen Wechselspannungsquellen 6 oder Wechselstromquellen 7 gespeist werden, z.B. wenn Asymmetrien im Grundaufbau des Differentialtransformators vorhanden sind, die auf diese Weise kompensiert werden sollen. Beispielsweise können die Primärspulen 11, 21 mit Wechselspannungssignalen oder Wechselstromsignalen gleicher Frequenz und unterschiedlicher Amplitude und unterschiedlicher Phasenlage zueinander gespeist werden.
Die 11 zeigt eine Variante der Verschaltung der Sekundärspulen 12 und 22, wenn die erste Sekundärspule 12 und zweite Sekundärspule 22 einen gleichsinnigen Wicklungssinn besitzen. Die Sekundärspulen 12 und 22 werden hierzu differentiell in Reihe geschaltet, sodass am Ausgang der Spulen ein differentielles Signal entsteht, welches von der Messauswerteeinrichtung 5 erfasst werden kann. Diese differentielle Verschaltung der Sekundärspulen 12 und 22 lässt sich mit sämtlichen zuvor erläuterten Ausführungsformen der 1 bis 10 kombinieren.
Bei Anregung der ersten und der zweiten Primärspule 11, 21 mit der Wechselspannung oder dem Wechselstrom entsteht ein primäres magnetisches Feld, welches überwiegend durch den ersten magnetischen Kern 13 und, sofern vorhanden, den zweiten magnetischen Kern 23 geführt wird und so die erste und die zweite Sekundärspule 12, 22 gleichmäßig durchsetzt. Wird dann eine Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitung 3 geführt, so kann durch diese Flüssigkeit das Magnetfeld im Bereich des ersten magnetischen Kerns 13 beeinflusst werden, wodurch die Symmetrie zwischen der ersten Sekundärspule 12 und der zweiten Sekundärspule 22 gestört wird und auf diese Weise ein differentielles Messsignal entsteht.
Dabei durchsetzt das Magnetfeld des ersten Transformtors 1 auch die durch die Flüssigkeitsleitung 3 geführte Flüssigkeit, wodurch Wirbel- und Verschiebeströme abhängig von der Leitfähigkeit und der Permeabilität des flüssigen Mediums in dieses induziert werden, welche wiederum ein magnetisches Sekundärfeld erzeugen. Dieses magnetische Sekundärfeld ist nach der Lenz'schen Regel dem Primärfeld entgegengerichtet. Das Sekundärfeld induziert nun aufgrund der geringen räumlichen Distanz überwiegend in die erste Sekundärspule 12 eine Spannung. Wegen der differentiellen Verschaltung der ersten Sekundärspule 12 und der zweiten Sekundärspule 22 wird eine hohe Sensitivität des Differentialtransformators 9 gegenüber den Wirbel- und Verschiebeströmen im Medium erreicht. Je unterschiedlicher die magnetischen Kopplungen der jeweiligen Sekundärspule zum flüssigen Medium sind, desto größer ist die Sensitivität. Idealerweise ist somit die zweite Sekundärspule 22 völlig von dem magnetischen Sekundärfeld entkoppelt. Dies wird durch den Aufbau des erfindungsgemäßen Differentialtransformators 9 erreicht.
Bezugszeichenliste

1: erster Transformator
2: zweiter Transformator
3: Flüssigkeitsleitung
4: Schlauch
5: Messauswerteeinrichtung
6: Wechselspannungsquelle
7: Wechselstromquelle
8: Zwischenschicht
9: Differentialtransformator
11: erste Primärspule
12: erste Sekundärspule
13: erster magnetischer Kern
14: erste magnetische Abschirmschicht
15: erste Seitenwand
16: erste Verschlusswand
21: zweite Primärspule
22: zweite Sekundärspule
23: zweiter magnetischer Kern
24: zweite magnetische Abschirmschicht
25: zweite Seitenwand
26: zweite Verschlusswand

Claims

Differentialtransformator (9) mit wenigstens einem ersten magnetischen Kern (13), einer ersten Primärspule (11), einer mit der ersten Primärspule (11) über den ersten magnetischen Kern (13) magnetisch gekoppelten ersten Sekundärspule (12) und einer zweiten Sekundärspule (22), wobei die erste Primärspule (11) und die erste Sekundärspule (12) mit dem ersten magnetischen Kern (13) einen ersten Transformator (1) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Differentialtransformator (9) eine zweite Primärspule (21) hat, die von der ersten Primärspule (11) baulich getrennt ist und über den ersten magnetischen Kern (13) oder einen separaten zweiten magnetischen Kern (23) mit der zweiten Sekundärspule (22) magnetisch gekoppelt ist, wobei die zweite Primärspule (21) und die zweite Sekundärspule (22) mit dem ersten magnetischen Kern (13) oder dem zweiten magnetischen Kern (23) einen zweiten Transformator (2) bilden, wobei der zweite Transformator (2) vom ersten Transformator (1) zumindest teilweise magnetisch entkoppelt ist.
Differentialtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Transformator (1) und dem zweiten Transformator (2) wenigstens eine magnetische Abschirmschicht (14, 24) angeordnet ist, durch die der zweite Transformator (2) vom ersten Transformator (1) zumindest teilweise magnetisch abgeschirmt ist.
Differentialtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste magnetische Kern (13) vom zweiten magnetischen Kern (23) durch eine Zwischenschicht (8) baulich und/oder magnetisch separiert ist.
Differentialtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transformator (1) räumlich von dem zweiten Transformator (2) getrennt ist.
Differentialtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der ersten Sekundärspule (12) und der zweiten Sekundärspule (22) größer ist als der Abstand zwischen der ersten Primärspule (11) und der zweiten Primärspule (21).
Differentialtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Differentialtransformator (9) eine Flüssigkeitsleitung (3) hat, durch die eine messtechnisch zu erfassende Flüssigkeit geleitet werden kann, wobei die Flüssigkeitsleitung (3) am ersten magnetischen Kern (13) und/oder an der ersten Sekundärspule entlanggeführt ist.
Differentialtransformator (9) mit wenigstens einem ersten magnetischen Kern (13), einer ersten Primärspule (11), einer mit der ersten Primärspule (11) über den ersten magnetischen Kern (13) magnetisch gekoppelten ersten Sekundärspule (12) und einer zweiten Sekundärspule (22), wobei der Differentialtransformator (9) eine Flüssigkeitsleitung (3) hat, durch die eine messtechnisch zu erfassende Flüssigkeit geleitet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsleitung (3) in einer oder mehreren Windungen um den ersten magnetischen Kern (13) gewickelt ist.
Differentialtransformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsleitung (3) in mehreren axialen Lagen und/oder mehreren radialen Lagen um den ersten magnetischen Kern (13) gewickelt ist.
Differentialtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste magnetische Kern (13) relativ zur ersten Primärspule (11) fixiert ist.
Differentialtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Differentialtransformator (9) oder ein Teil des Differentialtransformators (9), insbesondere der erste Transformator (1) und/oder der zweite Transformator (2), an einer, mehreren oder allen Außenseiten von magnetisch abschirmenden Material umgeben ist.
Differentialtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen der ersten und der zweiten Sekundärspule (12, 22) differentiell in Reihe geschaltet sind.
Messeinrichtung zur Erfassung einer Messgröße, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung einen Differentialtransformator (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche hat.
Messeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Primärspule (11, 21) mit Wechselspannung und/oder Wechselstrom gleicher Amplitude und/oder Phasenlage und/oder Frequenz beaufschlagt sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Primärspule (11) mit einer ersten Wechselspannung und/oder einem ersten Wechselstrom beaufschlagt ist und die zweite Primärspule (21) mit einer zweiten Wechselspannung und/oder einem zweiten Wechselstrom beaufschlagt ist, wobei sich die erste und die zweite Wechselspannung oder der erste und der zweite Wechselstrom sich in einem, mehreren oder allen der folgenden Kenngrößen unterscheiden: Amplitude, Phasenlage, Frequenz.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an den miteinander verschalteten Sekundärspulen (12, 22) ein Messverstärker und/oder eine Messauswerteeinrichtung (5) angeschlossen ist.