DE10303607A1

DE10303607A1 - Wirbelstromhubsensor

Info

Publication number: DE10303607A1
Application number: DE2003103607
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schoor
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19

Abstract

Bei einer Anordnung zum Messen einer Verschiebung eines im Wesentlichen aus ferromagnetisschem Material bestehenden Körpers (10) mit einem Hubsensor mit einer durch Wechselstrom speisbaren Sensorspule (5) ist erfindungsgemäß in der Nähe der Sensorspule (5) an dem Körper (10) eine wenigstens annähernd koaxial zu der Sensorspule verlaufende Hülse (14) aus elektrisch gut leitendem, nicht magnetischen Material angeordnet, und bei Vorhandensein eines Bereichs des Körpers in der Nähe der Sensorspule, der bei Verschiebung des Körpers das durch die Sensorspule gelieferte Messsignal beeinflusst, ist die Hülse derart angeordnet, dass die durch die Verschiebung der Hülse veranlasste Änderung des Messsignals der Sensorspule und die durch den Bereich des Körpers veranlasste Änderung des Messsignals sich addieren.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Messanordnung nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
Wirbelstromsensoren benutzen eine mit Wechselstrom geeigneter Frequenz gespeiste Spule, in deren Nähe, vorzugsweise in deren Inneren sich der Gegenstand, beispielsweise ein Maschinenteil, befindet, dessen Bewegung in Längsrichtung der Spule erfasst werden soll. Da ein derartiger Gegenstand eine merkliche Längenausdehnung besitzt, im allgemeinen über die Länge einen ungleichmäßigen Querschnitt oder Durchmesser aufweist, wirken bei einer Bewegung des Gegenstands relativ zur Spule häufig Bereiche des Gegenstands, die sich dem Spulenzentrum nähern und somit bei magnetischem Material des Gegenstands zu einer Erhöhung der Induktivität der Spule führen, mit solchen Teilen des Gegenstands entgegengesetzt wirkend zusammen, die sich bei der genannten Bewegung des Gegenstands vom Spulenzentrum entfernen und dadurch eine Verringerung der Induktivität bewirken; hierdurch wird das Messsignal geschwächt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hubsensor so auszugestalten, dass in dem geschilderten Fall anstatt einer Signalreduzierung eine Signalvergrößerung auftritt.
Vorteile der Erfindung
Bei dem Hubsensor gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 wirkt bei einer bestimmten Bewegung und Gestaltung des hinsichtlich seines Hubs zu messenden Gegenstands, der im Wesentlichen aus Stahl bestehen mag, und auf dem eine aus nicht magnetischem, elektrisch leitenden Material bestehende Hülse aufgebracht ist, die Hülse und das magnetische Material derart zusammen wirkt, dass eine Annäherung der Hülse in Richtung auf das Spulenzentrum, wodurch in Folge von Feldverdrängung eine Verringerung der Induktivität der Spule eintritt, mit einer gleichzeitigen Entfernung von Teilen des Gegenstands vom Spulenzentrum weg zusammen, wobei die zuletzt genannte Bewegung der magnetischen Teile vom Spulenzentrum weg ebenfalls zu einer Signalverringerung beiträgt. Somit wird die Induktivitätsänderung des Hubsensors und somit das durch diesen zu gewinnende Signal verstärkt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer Erfindung anhand der Zeichnung, und aus den Unteransprüchen.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hubsensors ist in der schematischen Zeichnung dargestellt und wird anschließend erläutert.
Die einzige Figur zeigt im Längsschnitt eine Spule, die Bestandteil des eigentlichen Hubsensors ist, wobei die Spule einen sich über beide Längsseiten der Spule hinaus erstreckenden Gegenstand mit Abstand umgibt, der sich in Längsrichtung bewegen kann, und dessen Hub erfasst werden soll, wobei auf dem Gegenstand eine Hülse aus nichtmagnetischem Material aufgebracht ist.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Figur weist die Messanordnung 1 einen zum eigentlichen Sensor gehörenden ringförmigen Spulenkörper 3 auf, der eine aus einer Mehrzahl von Windungen gebildete Spule 5 trägt, deren beide angedeutete Anschlüsse 7 zur Verbindung mit einer elektronischen Anregungs- und Messschaltung bestimmt sind.
Bei einer hier nicht weiter beschriebenen Ausführungsform hat die von einer gewählten Erregerfrequenz abhängige Spule 1 Windung, bei einer anderen Ausführungsform mehr als eine Windung.
Ein hinsichtlich seines Hubs in Achsrichtung der Spule, also in der Figur von oben nach unten zu erfassender Gegenstand 10 erstreckt sich durch den zylindrischen Innenraum des Spulenkörpers 3 hindurch und ragt auf beiden Seiten über den Spulenkörper hinaus. Der Gegenstand 10 mag ein rotierendes Teil sein, also eine rotierende Welle, oder ein, wie im Beispiel, zwar rotationssymetrisches Teil, das sich aber nur linear bewegt, wie das Teil eines Ventils einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für Verbrennungsmotoren. Der Gegenstand 10 besteht aus ferromagnetischem Material, im Beispiel aus Stahl. Der Gegenstand 10 weist in der Darstellung der Figur an seinem unteren Endbereich einen flanschartigen Vorsprung 12 auf, der über den Innendurchmesser des Spulenkörpers 3 vorsteht. Auf den Gegenstand 10 ist eine umlaufende Hülse 14 von relativ zur Längserstreckung der Spule 5 erheblicher Breite aufgebracht. Die Hülse 14 besteht aus einem nicht-magnetischen Material, im Beispiel aus Kupfer. Sie ist in der dargestellten Ruhelage des Gegenstands 10, um die der Gegenstand 10 schwanken kann, so angeordnet, dass der untere Rand 15 oder die untere Kante der Hülse 14 sich etwas oberhalb der Längsmittelebene der Spule 5 befindet, und dass sich der obere Rand 16 der Hülse 14 weit oberhalb des oberen Endes der Spule 5 befindet.
Im Betrieb wird die Spule 5 mit Wechselstrom gespeist, im Beispiel mit einer Frequenz von etwa 140kHz. In dem Bereich etwa der unteren Hälfte der Spule 5 und in dem Bereich, in dem der flanschartige Vorsprung 12 sich etwa in Längsrichtung der Spule 5 befindet, bewirkt das von der Spule erzeugte Feld im Stahl eine relativ starke Magnetisierung und somit eine entsprechende Induktivität der Spule 5. Es sei bemerkt, das Stahl eine frequenzabhängige Permeabilität hat, was im Einzelfall bei der Wahl der Frequenz zu berücksichtigen ist. In demjenigen Bereich indem sich die nichtmagnetische, leitfähige Hülse 14 befindet, findet eine Verdrängung des magnetischen Feldes statt, das heißt, durch das Vorhandensein der Hülse ist die Induktivität der Spule 5 gegenüber einem Zustand verringert, bei dem die Hülse 14 bei gleicher Lage des Gegenstands 10 nicht vorhanden wäre. Bewegt sich der Gegenstand 10 in der Darstellung der Figur nach unten, wodurch auch der flanschartige Vorsprung 12 und die Hülse 14 weiter nach unten gelangen, so bewirkt die Vergrößerung des Abstands des flanschartigen Vorsprungs 12 des magnetischen Materials des Gegenstands 10 von der Spule 5 eine Verringerung von deren Induktivität und das weitere Vordringen der Hülse 14 zum Zentrum der Spule 5 bewirkt ebenfalls eine Verringerung der Induktivität. Beide Vorgänge wirken somit sich addierend zusammen. In analoger Weise nimmt durch umgekehrte Einflüsse bei einer Bewegung des Gegenstands 10 in der Darstellung der Figur nach oben in zusammenwirkender Weise die Induktivität der Spule 5 zu. Diese Änderungen der Induktivität werden messtechnisch ausgewertet.
Wenn die geschilderte Frequenzabhängigkeit der Induktivität infolge des Materials des Gegenstands 10 stört, so besteht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Möglichkeit, insbesondere an der Stirnfläche 20 des flanschartigen Vorsprungs 12, die der Spule 5 zugewandt ist, eine Schicht aus einem weichmagnetischen Material anzubringen, das weitgehend frequenzunabhängig bezüglich seiner magnetischen Eigenschaften ist, und somit die Frequenzabhängigkeit der Induktivität der Spule 5 weitgehend beseitigt.
Wäre bei der in der Figur gezeigten Anordnung die Lage der nichtmagnetischen, elektrisch leitenden Hülse an dem hinsichtlich Hubs zu messenden Gegenstand unverändert, befände sich jedoch der in der Figur unten angeordnete Flansch oben, so dass er sich bei einer Bewegung des Gegenstands von oben nach unten der Spule nähert, so hätte diese Anordnung nicht den erfindungsgemäßen Vorteil, weil die beiden Messsignalanteile, die von dem magnetischen Teil der Spule und von der nichtmagnetischen Hülse hervorgerufen werden, sich gegenseitig mindestens teilweise aufheben. Bei einem derartigen modifizierten Gegenstand müsste die nichtmagnetische Hülse beispielsweise weiter nach unten bis etwas über das Zentrum der Spule hinaus verschoben angebracht werden, damit eine Bewegung des zu erfassenden Gegenstands nach unten sowohl durch die Annäherung des magnetischen Flansches an die Spule als auch durch das stärkere Herausgeraten des nichtmagnetischen leitenden Rings aus dem Zentrum der Spule, beide gemeinsam zu einer Erhöhung der Induktivität der Spule führen.
Somit ist die Anordnung bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel der nichtmagnetischen leitfähigen oder Hülse oder Geberhülse so gewählt, dass die Stärke in das Magnetfeld der Spule eintauchende Hülse den Wirbelstromanteil zum Messsignal erhöht. Und dass sich gleichzeitig von der Spule entfernende Stirnfläche der Welle oder des zu messenden Gegenstands, wobei die Stirnfläche aus Stahl besteht, den induktiven Anteil im Messsignal erniedrigt.
Die Induktivität und die Wirkung des Wirbelstroms wirken im Messsignal einander entgegen. Somit ergibt sich durch eine Addition beider Effekte eine erhöhte Empfindlichkeit der Messanordnung.
Die Erfindung ist besonders für kleine Sensoren und beengte Einbausituationen geeignet, wo sie eine Erhöhung des Messeffekts bewirkt, was den an sich vorhandenen kleinen Signalen wichtig ist. Es ergibt sich durch die Erfindung eine Erhöhung der Empfindlichkeit und eine Verbesserung des Signal-Rausch-Abstandes bei gegebenen Verstärkern-Rauscheigenschaften.
Die Stahlwelle beim Ausführungsbeispiel ist bei einer Modifikation an ihrer Flanschseite, die der Spule zugewandt ist, nämlich der Stirnfläche 20, mit einem weichmagnetischen Material beschichtet, um hierdurch eine größere Induktivität und insbesondere auch eine Frequenzunabhängigkeit der Induktivität des an sich aus Stahl bestehenden Gegenstands zu unterstützen.
Die Trägerfrequenz, mit der die Spule betrieben wird, ist auf eine optimale Induktivitätsempfindlichkeit und Wirbelstromempfindlichkeit abgestellt und mag beispielsweise etwa 140 Khz betragen. Der zu messende Gegenstand (Welle) besteht im Beispiel aus Stahl; es ist wichtig, dass es sich um kein Material handelt, an dem sich bevorzugt Wirbelströme ausbilden, wie dies bei den so genannten Buntmetallen der Fall ist, also gut leitenden Metallen, die nicht magnetisch sind, wie Kupfer oder Messing oder auch Aluminium. Der erfindungsgemäße Sensor kann in Maschinen, beispielsweise Verbrennungsmotoren zur ständigen Messwerterfassung oder auch zur Messung bei Wartungsarbeiten eingebaut sein, und kann dabei beispielsweise zur Regelung des Ventilhubs eines Verbrennungsmotors dienen. Bei einem Ausführungsbeispiel hat die Spule eine Länge von 0,8 mm, einen Spuleninnendurchmesser von 3,2 mm und weist etwa 30 Windungen bei einem Drahtdurchmesser von 0,08 mm auf; die Spulenkörperbohrung beträgt 3,0 mm. Dies unterstreicht, dass der Sensor extrem klein gebaut werden kann.

Claims

Anordnung zum Messen einer Verschiebung eines im wesentlichen aus ferromagnetischem Material bestehenden Körpers (10) mit einem Hubsensor, der eine durch Wechselstrom speisbare Sensorspule (5) aufweist, relativ zu der Sensorspule, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe der Sensorspule (5) an dem Körper (10) eine wenigstens annähernd koaxial zu der Sensorspule verlaufende Hülse (14) aus elektrisch gut leitendem, nicht magnetischen Material angeordnet ist, und dass bei Vorhandensein eines Bereichs des Körpers in der Nähe der Sensorspule, der bei Verschiebung des Körpers das durch die Sensorspule gelieferte Messsignal beeinflusst, die Hülse derart angeordnet ist, dass die durch die Verschiebung der Hülse veranlasste Änderung des Messsignals der Sensorspule und die durch den Bereich des Körpers veranlasste Änderung des Messsignals sich addieren.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Sensorspule zugewandten Fläche des Körpers weichmagnetisches Material aufgebracht ist.