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Die Erfindung betrifft einen induktiver
Wegesensor, der nach dem Wirbelstromprinzip ausgebildet ist, mit
einer in einem Schwingkreis angeschlossenen Resonanspule, einem
Sensorgehäuse
und einem in dem Sensorgehäuse
integrierten temperaturabhängigen
elektrischen Bauelement, dessen elektrischer Widerstand temperaturabhängig ist.
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Ein Sensor dieser Art ist aus der
DE 102 12 999 A1 bekannt.
Der Sensor ist über
ein Koaxialkabel mit einer Auswerteelektronik verbunden, in der
ein Resonanzkondensator integriert ist. In dem Sensor ist ein als
Temperatursensor fungierendes Bauelement angeordnet, welches zur
Messung der Sensortemperatur vorgesehen ist. Eine Temperaturkompensation
erfolgt durch die Auswerteelektronik, indem durch in einen Rechner
hinterlegte Korrekturwerte rechnerisch addiert werden oder durch
eine Analogschaltung, die ein kompensierendes Gleichspannungssignal
addiert. Nachteilig ist allerdings, dass vor der ersten Inbetriebnahme
des Sensors eine Kalibrierung in Abhängigkeit von der Sensortemperatur und
sogar separat von der Temperatur des Verbindungskabels erfolgen
muss. Besonders nachteilig ist, dass die Auswerteelektronik aufwendig
und damit teuer ist. Zudem ist eine zusätzliche Verbindungsleitung
für den
Temperaturfühler
erforderlich.
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Ein anderer Sensor, der allerdings
als Näherungsschalter
mit temperaturstabilisierten Schaltpunkten ausgebildet ist, ist
in der Beschreibungseinleitung der
DE 39 26 083 C2 offenbart. Man hat versucht,
diese Temperaturabhängigkeit
mittels eines im Rückkopplungszweig
eines Schwingungstransistors angeordneten NTC-Widerstandes zu kompensieren. Eine
solche Temperaturkompensation soll jedoch nicht optimal sein. Zum
einen wird eine e-Funktion des temperaturabhängigen Widerstandes als unvorteilhaft
gesehen. Zum anderen werden weitere Effekte, wie Anfangstoleranzen,
HF-Probleme in Rückkopplungszweig
und die Erfordernis eines in Reihe geschalteten Abgleichswiderstandes
zur Einstellung eines Schaltabstandes als nachteilig gesehen. Vorgeschlagen
wird in der
DE 39 26
083 C2 daher ein induktiver Näherungsschalter mit einem transistorisierten
Schwingkreiskollektor und einer im Emitterkollektorkreis des Schwingkreisoszillators
liegenden Stromquelle, die in Abhängigkeit von einem – thermisch
mit einer einen ferritischen Kern aufweisenden Schwingkreisspule – gekoppelten
Temperaturfühler mit
einer Steuereinrichtung derart gesteuert wird, dass mit ansteigender
Temperatur der Schwingkreisspule die Stromquelle aufgesteuert wird
und umgekehrt, wobei der Temperaturfühler von dem als ohmschen Widerstand
wirkenden ferritischen Kern der Schwingkreisspule gebildet ist,
für dessen
einer e-Funktion folgenden Widerstandskennlinie die Steuereinrichtung
eine Linearisierung umfaßt.
Dieser Sensor ist ebenfalls ein Schalter und kann nicht für Messzwecke,
wie das Messen von axialen oder radialen Verlagerungen von drehenden
Teilen, verwendet werden. In Verbindung mit auswechselbaren Sensoren,
die mit einer Verbindungsleitung verbunden sind, ist auch hier ein
Abgleich und der Einsatz einer aufwendigen Auswerteelektronik unumgänglich und
zudem eine zusätzliche
Verbindungsleitung für den
Temperaturfühler
erforderlich. Im Prinzip wird eine ähnliche Lösung vorgeschlagen, wie bei
der
DE 102 12 999
A1 .
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Ein berührungsloses induktives Wegmesssysten
mit einem Halbleitertemperatursensor bzw. Temperaturfühler, bei
dem ein analoger Temperaturwert für einen Mikroprozessor erst
digitalisiert werden muss, ist in der
DE 44 17 824 A1 beschrieben.
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Die
EP 0 521 176 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung
zur Temperaturkompensation einer Spulengüte mit zwei Spulen. Die Kompensation
wird durch eine zweite in Reihe geschaltete Spule erreicht, so dass
die Temperaturabhängigkeit
der Größen gegensätzlich verläuft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen induktiven Wegesensor der eingangs genannten Art so zu verbessern,
dass eine leichte Austauschbarkeit des Wegesensors möglich ist,
ohne dass ein Neuabgleich oder sogar ein Austausch einer Auswerteelektronik
erforderlich ist. Außerdem
soll durch den Sensor eine Temperaturkompensation ohne eine aufwendige
Auswerteelektronik hierfür
möglich
sein, und die Lösung
soll einen Einsatz für
eine Überwachung
von axialen oder radialen Verlagerungen von drehenden Teilen erlauben.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
das temperaturabhängige
Bauelement unmittelbar mit dem Schwingkreis verschaltet und elektrisch
parallel oder in Reihe mit der Resonanzspule verbunden ist, wobei
die Schaltung aus Resonanzspule und Bauelement als Temperatur-Kompensationsschaltung ausgebildet
ist, indem eine zusätzliche
Dämpfung des
Schwingkreises bewirkt wird. Das zusätzliche ohmsche Bauelement
verändert
die Güte
des Schwingkreises, und zwar in Abhängigkeit der Temperatur.
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Grundsätzlich genügt ein NTC- oder PTC-Widerstand
als temperaturabhängiges
Bauelement.
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Dadurch, dass anstatt die Sensortemperatur mit
dem temperaturabhängigen
Bauelement zu messen, die Dämpfung
des Schwingkreises auf diese Weise verändert wird, wird durch die
zusätzliche
erfindungsgemäße Dämpfung praktisch
eine automatische Temperaturkompensation erreicht. Der temperaturveränderliche
ohmsche Widerstand des Bauelementes sorgt für eine zusätzliche Grundanfangsdämpfung.
Diese zusätzliche
Dämpfung
wird durch das Bauelement und insbesondere durch ein Widerstandsnetzwerk
aus NTC- und PTC-Widerständen mit
steigender Temperatur je nach Grundverhalten des Sensors größer oder
kleiner und sorgt damit für eine
Kompensation eines Temperaturfehlers, insbesondere eines Gesamt-Temperaturfehlers.
Da das Bauelement mit der Spule in Reihe oder parallel geschaltet
ist bzw. das Widerstandsnetzwerk mit der Spule verschaltet ist,
benötigt
es keine zusätzlichen Verbindungsleitungen,
die bis zur Auswerteelektronik geführt werden müssten. Nicht
selten besteht ein Abstand zwischen Sensor und Auswerteelektronik
von bis zu 10 Metern. Auch die Auswerteelektronik selbst vereinfacht
sich erheblich. So können
Mikroprozessoren mit hinterlegten Korrekturtabellen zur Temperaturkompensation
entfallen, die eine Messgeschwindigkeit begrenzen.
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Der erfindungsgemäße Sensor ist wegen seiner
schnellen und genauen Messmöglichkeit
besonders zur Messung eines Abstandes zwischen einer Mantelfläche einer
rotierenden Lagerwelle und einem festen Bezugspunkt geeignet. Selbst
bei Umdrehungsgeschwindigkeiten von Generatorturbinen, d.h. von
1500 U/min bis sogar 3000 U/min sind noch genau Messungen möglich.
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Die Temperaturkompensation ist praktisch
in dem Sensorkopf bzw. dem Sensorgehäuse integriert, arbeitet autark
und hängt
nicht von der Auswerteelektronik bzw. von z. B. einer überlagerten
Gleichspannung oder einer Verstärkerschaltung
ab. Durch diese einfache Maßnahme
entfällt
eine Kalibrierung eines Verstärkers
oder dergleichen in der Auswerteelektronik, und die erfindungsgemäßen Sensoren
können beliebig
ohne Neuabgleich ausgetauscht werden.
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Grundsätzlich ist eine Ausbildung
des erfindungsgemäßen Wegesensors
als kompakter Aufnehmer möglich,
bei dem sowohl der Sensor als auch die Auswerteelektronik in einem
Gehäuse
angeordnet sind. Das Lösungsprinzip
kann zur Lackdickenmessung, Folienmessung in der Metallfolienproduktion,
für einen
Näherungsschalter
oder anderen Steuerungsaufgaben eingesetzt werden, bei der eine Temperatur
(wegen der nahen Elektronik) 80° nicht übersteigt.
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Wenn eine Sensortemperatur im Bereich
von 200° oder
sogar von 450° vorliegt,
ist es notwendig, dass der Wegesensor unmittelbar mit einer Verbindungsleitung
und mittelbar über
die Verbindungsleitung mit einem Resonanzkondensator und einer Auswerteelektronik
verbunden oder verbindbar ausgeführt
ist, wobei der Resonanzkondensator auf der Elektronikseite untergebracht
ist. Somit kann ein Einsatz des Sensors bei hohen Temperaturen erfolgen, ohne
dass die Auswerteelektronik zerstört wird. Insbesondere ist dadurch
eine Verwendung des Sensors im Zusammenhang mit Generatorturbinen,
in denen solche Temperaturen vorkommen, möglich, wobei der Sensor durch
die Verwendung eines Koaxialkabels z.B. 10 m von der Auswerteelektronik
entfernt sein kann. Die Verlegung von nur einem einzigen Kabel (Verbindungsleitung),
im Gegensatz zu anderen Lösungen,
die ein zweites Kabel erfordern, ist besonders günstig.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung
des erfindungsgemäßen Wegesensors
ist vorgesehen, dass die Kompensationsschaltung mindestens ein zweites temperaturabhängiges elektrisches
Bauelement aufweist. Dadurch kann durch Kombination beider Bauelemente
eine sehr lineare Sensorfunktion und damit eine gute Temperaturkompensation
erreicht werden, wobei vorzugsweise ein Bauelement einen positiven Temperaturkoeffizienten
und das andere einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt.
Zweckmäßigerweise
ist eines der temperaturabhängigen
Bauelemente ein NTC-Widerstand, und das andere temperaturabhängige Bauelement
ist mindestens ein PTC-Widerstand. Grundsätzlich liegt aber die Verwendung
eines Halbleiterfühlers,
z.B. KTY 84, als Bauelement in erfindungsgemäßer Verwendung im Rahmen der
Erfindung.
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Von Vorteil ist, wenn der PTC-Widerstand insbesondere
aus in Reihe geschalteten PTC-Widerständen besteht und wobei vorzugsweise
der NTC-Widerstand
in Reihe mit der Resonanzspule geschaltet und diese Reihenschaltung
vorzugsweise parallel mit mindestens dem PTC-Widerstand, insbesondere
mit zwei PTC-Widerständen,
verbunden ist. Durch die Reihenschaltung von zwei PTC-Festwiderständen kann
bei einer begrenzten Auswahl an Komponenten die geforderte Temperaturbeständigkeit bzw.
der geforderte Abgleichbereich erzielt werden.
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Der Widerstand des Spulendrahtes
erhöht sich
mit steigender Temperatur und erniedrigt damit die Güte. Durch
die Reihenschaltung mit dem NTC-Widerstand kann dieser Effekt kompensiert werden.
Zur Anpassung an den genauen wert dient jeweils ein Shunt. Den gleichen
Effekt kann man durch Parallelschalten eines PTC-Widerstandes erreichen,
der mit steigender Temperatur hochohmiger wird und damit die Güte steigen
lässt.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung ist das Sensorgehäuse
mit einem PEEK-Material (Polyetheretherketon) vergossen. Dieser
Kunststoff ist ein geeignetes Herstellungsmaterial für den erfindungsgemäßen Sensor,
das nicht giftig und insbesondere auch nicht spröde aushärtet. Durch diesen Werkstoff
wird der Gesamt-Temperaturgang des Sensors positiv beeinflusst.
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Weitere Vorteile sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Anhand eines Ausführungsbeispieles und der Figuren
werden die Erfindung sowie weitere Vorteile derselben näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine
Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen Wegesensors,
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2 eine
Darstellung des Wegesensors,
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3 ein
Temperatur-Kennlinienvergleich mit und ohne Temperaturkompensation
und
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4 eine
Sensoranordnung zur Erfassung von Unwuchten bzw. Lagerschäden bei
rotierenden Lagerwellen.
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Wie 1 veranschaulicht,
besteht ein nach dem Wirbelstromeffekt arbeitender erfindungsgemäße Wegesensor
aus einem Schwingkreis mit einer Resonanzspule 1 und einem
Resonanzkondensator 2. Vorzugsweise sind die Spule 1 und
der Kondensator 2 nur mittelbar über ein Koaxialkabel 3 miteinander
verbunden, wobei, wie in 2 gezeigt
ist, die Spule 1 in einem Sensorkopf 4 innerhalb
eines Sensorgehäuses 5 integriert
ist, welches mit dem Koaxialkabel 3 versehen ist bzw. mit
einem seiner Enden verbunden ist. Das anderen Ende des Koaxialkabels 3 ist
mit einer Auswerteelektronik verbindbar und z.B. an einem Elektronikgehäuse steckbar
ausgeführt,
in das der Kondensator 2 untergebracht ist.
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Durch diesen Schwingkreis ist eine
Abstandsmessung zu einem sogenannten Target 8 möglich, dessen
elektrisches Schaltbild links in 1 dargestellt
ist. Diese linke Schaltung entspricht einer Schaltung eines Stromkreises
mit einem Kurzschlusswiderstand 6 und (mindestens) einer
Targetwindung. Durch die mit der Spule 1 im Target erzeugten
abstandsabhängigen
Wirbelströme
ist eine Abstandsmessung möglich.
Näheres
hierzu folgt später
im Rahmen der Beschreibung der 4.
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Da ein Messergebnis sehr von der
Sensortemperatur aber auch von anderen Temperatureinflüssen abhängt, erfolgt
eine Temperaturkompensation bzw. eine Fehlerkorrektur mittels mindestens
eines temperaturabhängigen
Bauelementes, insbesondere mit drei temperaturabhängigen Bauelementen 10 bis 12.
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Erfindungsgemäß sind die temperaturabhängigen Bauelemente 10 bis 12 unmittelbar
mit dem Schwingkreis verschaltet und elektrisch parallel oder in
Reihe mit der Resonanzspule 1 verbunden. Die Schaltung
aus Resonanzspule 1 und den Bauelementen 10 bis 12 dient
unmittelbar als Temperatur-Kompensationsschaltung,
d.h. ohne dass eine direkte Messung der Temperatur erfolgen muss.
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Die eingesetzten Bauelemente 10 bis 12 besitzen
einen temperaturabhängigen
ohmschen Widerstand, so dass sie eine zusätzliche (temperaturabhängige) Dämpfung des
Schwingkreises bewirken. Die Dämpfung
des Schwingkreises setzt sich im wesentlichen aus der Dämpfung durch
das Target 8 und der zusätzlichen Dämpfung durch die Bauelemente 10 bis 12 zusammen.
Ferner sind im Zusammenhang mit der Dämpfung, bzw. der Güte des Schwingkreises,
der ohmschen Widerstand der Spule, das Koaxialkabel sowie andere
Effekte zu berücksichtigen.
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Die Bauelemente sind derart bemessen
und angeordnet, dass sie Kompensationseigenschaften aufweisen. Die
durch die Bauelemente 10 bis 12 geschaffene Temperatur-Kompensationsschaltung weist
Kompensationseigenschaften insbesondere in Bezug auf
- – einen
ohmschen Spulenwiderstand der Resonanzspule,
- – dielektrische
Verluste eines Isoliermaterials,
- – einen
ohmschen Widerstand eines Targetmaterials,
- – einen
Permeabilitätsfaktor
des Targetmaterials,
- – einen
ohmschen Widerstand und/oder Permeabilitätsfaktor eines Sensor-Kernmaterials,
- – einen
kapazitiven Einfluss durch eine Wicklungskapazität der Resonanzspule,
- – eine Änderung
einer relativen Permeabilitätskonstanten
des Kern und/oder Targetmaterials,
- – eine Änderung
der Eigenschaften einer Verbindungsleitung, insbesondere eines Koaxialkabels, insbesondere
ihrer Kapazität
und/oder Eigeninduktivität
und/oder
- – thermische
Ausdehnungen und damit verursachte Änderungen eines Messabstandes
infolge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten in Bezug auf
Sensormaterial und Applikationsumgebung,
auf. Beliebige
Kombinationen dieser Kompensations-Einzeleffekte sind möglich.
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Vorzugsweise ist eine Kombination
von Bauelementen 10 – 12 mit
positiven und negativen Temperaturkoeffizienten und/oder eine Kombination
einer Reihen- und
Parallelschaltung vorgesehen, wobei die Bauelemente grundsätzlich auch
Halbleiter oder andere vergleichbare Elemente sein können.
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Hier konkret sind zwei PTC-Widerstände 11, 12 in
Reihe zwischen Masse und einem Leiterzweig 13 des Koaxialkabels
bzw. parallel zum Resonanzkondensator 2 angeordnet. Ein
NTC-Widerstand 10 liegt in Reihe mit der Resonanzspule 1.
Die Reihenschaltung aus NTC-Widerstand und Spule 1 liegt
parallel zu den PTC-Widerständen 11 und 12.
Die Bauelemente 10 bis 12 bilden so ein Widerstandsnetzwerk
bzw. ein Linearisierungsnetzwerk. Andere Widerstandsnetzwerke als
das konkret Beschriebene sind aber auch möglich.
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Das Widerstandsnetzwerk bzw. das
Bauelement (bei nur einem) ist insbesondere so ausgebildet, dass
die Güte
des Schwingkreises bei steigender Temperatur erniedrigt oder erhöht wird,
was zur erfindungsgemäßen Kompensation
führt.
Insbesondere wird die Güte
jedoch erhöht.
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Die zusätzliche Dämpfung bewirkt ein Verlust
an Empfindlichkeit. Durch die Auswerteelektronik kann jedoch der
Verlust an Empfindlichkeit und/oder Linearität des Schwingkreises gegenüber anderen Lösungen kompensiert
werden.
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Parallel zu den Bauelementen 10 bis 12 liegen
Festwiderstände
z.B. mit einem fünffachen
Widerstandswert für
eine genaue Kompensation, da handelsübliche NTC, bzw. PTC-Elemente
nicht mit beliebigen Werten erhältlich
sind.
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In der nicht gezeigten Auswerteelektronik kann
eine Schaltung zur Leitungsbruchüberwachung vorhanden
sein, die auch einen Windungsbruch der Spule 1 erfasst.
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Wie in 2 veranschaulicht
ist, sind die Kompensationselemente 10 – 12 in dem Sensorgehäuse 5 integriert,
welches vorzugsweise mit einem PEEK-Material für einen Einsatz bei aggressiver
Umgebung vergossen ist. Der Wegesensor ist vorzugsweise in einer
Einschraubhülse 14,
insbesondere aus Stahl, angeordnet.
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In 2 ist
vereinfacht nur ein NTC-Widerstand und nur ein Festwiderstand 16 dargestellt. Auch
diese Schaltung ist aber möglich.
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Innerhalb des Sensorgehäuses sind
aus Einzellitze bestehenden Leitungen 20, insbesondere Kupferleitungen
bzw. Kupferdrähte,
vorhanden, die mehrfach zu einer HF-Litze verdrillt sind. Die Spule 1 besteht
auch aus Kupferdraht. Die Einzellitze und/oder die Resonanzspule
weist einen Querschnitt von etwa 0,01 mm bis etwa 0,02 mm, insbesondere etwa
0,014 mm, auf und die Messfrequenz (Schwingungsfrequenz des Schwingkreises)
beträgt
etwa 1 MHz bis 2 MHz. Diese Querschnittsbemessung ist unter Berücksichtigung
des Skin-Effektes
optimal. Die Eindringtiefe beträgt
z.B. 0,7 mm. Diese Bemessung ist besonders günstig, weil der Widerstandskoeffizient
des Kupferdrahtes (Spule und Leitungen) ohne diese Maßnahme zu
einer ungewollten Verschlechterung der Güte beitragen würde. Die
Optimierung der Spulenanordnung zwischen Gleichstrom- (Verlust-)widerstand
und der Windungszahl in einem begrenzten Spulenraum lässt sich
also in einem gewissen Maße über den
Drahtdurchmesser steuern.
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Wie noch 2 zeigt, ist innerhalb der Resonanzspule 1 und
in einem Sensorkopfbereich 21 ist ein magnetisch offenes
Ferritelement 23 angeordnet. Das Ferritelement 23 ist
stabförmig
und beginnt an einem Sensorkopfbereich 21, liegt mittig
in der Spule 1 und reicht bis zu einem Aufnahmebereich
für die Bauelemente
des Widerstandnetzwerkes. Die Bauelemente liegen zwischen dem Koaxialkabel 3 und dem
Ferritelement 23 innerhalb eines Hülsenbereichs.
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Die temperaturabhängigen Bauelemente sind vorzugsweise
derart mit der Resonanzspule geschaltet und derart bemessen, dass
eine im wesentlichen lineare Sensor-Kennlinie in einem Temperaturbereich
von mindestens 0 bis 200°,
insbesondere von etwa –30° bis 450°, gegeben
ist, wie anhand der 3 verdeutlicht
ist. Die untere Kennlinie entspricht einer Sensor-Kennlinie ohne
Kompensation. Diese Linearität
ist insbesondere durch Verwendung von mehreren temperaturabhängigen Bauelementen möglich. Die
Kennlinien zeigen eine Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Temperatur bei
einem konstanten Abstand von 1,6 mm zwischen dem Target und dem
Sensor.
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Der erfindungsgemäße induktive Wegesensors bzw.
das beschriebene Meßsystem
dient insbesondere zur Überwachung
von axialen oder radialen Verlagerungen von drehenden Teilen, wie
durch 4 veranschaulicht
ist.
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4 zeigt
die Anordnung, eines Lagers 25, einer Welle 26,
des Sensors bzw. seines Sensorgehäuses 5, seines Sensorkopfes 4,
seiner Sensorhülse 14 und
einer Sensorhalterung 27, die mit dem Lager 25 verbunden
ist. Die Welle 26 ist das Target. Erfasst werden eine axiale
Abstandsveränderung
zum Wegesensor und auch Schwingungen der Welle 26.
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Insbesondere handelt es sich um einen
Teil einer Generatorturbine in einem Kraftwerk. Eine Verwendung
in einer Abgasreinigungsanlage ist auch vorteilhaft. Die Sensoranordnung
ist zur Feststellung einer Unwucht oder eines Lagerschadens vorgesehen.
Das Generatorläufergewicht
beträgt
etwa 150 bis etwa 200 t. Die Läuferdrehzahl
beträgt
etwa 1500 bis etwa 3000 U/min.