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I. Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft Positionssensoren, insbesondere deren Detektoreinheit,
basierend auf dem Prinzip der Laufzeitmessung von mechanisch-elastischen
Impulsen in einem Wellenleiter, die außer diesem Wellenleiter ein
relativ hierzu bewegliches, die mechanisch-elastische Welle erzeugendes
oder detektierendes, Positionselement umfassen.
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II. Technischer Hintergrund
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Der
Wellenleiter besteht in der Regel aus einem Rohr, einem Draht oder
einem Band, und kann auch als elektrischer Leiter dienen. Der Wellenleiter kann
weiterhin in einem formgebenden, linearen oder kreisförmigen,
Körper
aus nicht-magnetischem
Material, z. B. Kunststoff oder Metall zur Aufnahme und Lagerung
des Wellenleiters angeordnet sein.
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Basierend
auf dem Wiedemann-Effekt erzeugt ein in den Wellenleiter eingespeister
Strom bei seiner Überlagerung
mit einem lateral auf den magnetostriktiven Wellenleiter gerichteten
externen Magnetfeld, welches vom Positionselement, insbesondere
einem Positionsmagneten herrührt,
einen Torsionsimpuls einer mechanisch-elastischen Welle, der sich
mit etwa 2.500 m/s – 6.000
m/s vom Ort der Entstehung, also z.B. der Position des Positionselementes,
in beide Richtungen entlang des Wellenleiters ausbreitet.
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An
einer Stelle, üblicherweise
an einem Ende des Wellenleiters, wird insbesondere der Torsionsanteil
dieses mechanisch-elastischen Impulses von einer Detektoreinheit,
die sich meist in fester Position bezüglich des Wellenleiters befindet,
erfaßt. Die
Zeitdauer zwischen der Auslösung
des Erregerstromimpulses und dem Empfang des mechanischen Impulses
ist dabei ein Maß für den Abstand
des verschiebbaren Positionselementes, z. B. des Positionsmagneten
von der Detektoreinrichtung oder auch der Spule bzw. des Elektromagneten.
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Ein
typischer solcher Sensor ist im US-Patent 896 714 beschrieben.
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Das
Hauptaugenmerk der vorliegenden Erfindung liegt auf der Detektoreinrichtung.
Diese umfaßt
eine Detektor-Spule, die entweder um den Wellenleiter herum angeordnet
ist oder als sogenannter Villary-Detektor um ein Villary-Bändchen herum
angeordnet ist, welches quer, insbesondere im 90°-Winkel, vom Wellenleiter abstrebt
und mit diesem so verbunden, insbesondere mechanisch fixiert, z.
B. verschweißt
ist, daß der
entlang des Wellenleiters laufende Torsionsimpuls im Villary-Bändchen in eine
longitudinale Welle transformiert wird. Eine solche longitudinale
Welle staucht bzw. dehnt das Villary-Bändchen elastisch im kristallinen
Bereich, und verändert
daher dessen Permeabilität μ. Das Villary-Bändchen besteht zu diesem Zweck
aus Material mit möglichst
hoher magnetischer Permeabilität Δμr, z.
B. aus Nickel oder einer Nickel-Legierung.
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Die
ein magnetoelastisches Element, z.B. das Villary-Bändchen,
durchlaufende Dichtewelle äußert sich
somit in einer Spannungsänderung ΔU, die als
Nutzsignal an der Detektorspule abgegriffen werden kann.
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Wie
ersichtlich, ist das Nutzsignal ΔU
umso größer, je
größer die Änderung
der magnetischen Permeabilität Δμr ausfällt.
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Zusätzlich ist
als Arbeitspunkt bzw. Arbeitsbereich ein solcher Bereich der Kurve Δμr(H),
also der magnetischen Permeabilität aufgetragen über der
magnetischen Feldstärke,
erwünscht,
in dem sich die magnetischen Permeabilität Δμr möglichst
linear, relativ zur Ursache aber möglichst stark verändert, weshalb
versucht wird, die Funktion Δμr(H)
in der Anstiegsflanke möglichst
steil auszubilden und den Arbeitsbereich dort, im annähernd linearen
Bereich, zu etablieren.
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Im
Stand der Technik wird zum Einstellen des Arbeitspunktes ein sogenannter
Bias-Magnet in Form eines Dauermagneten in räumlicher Nähe zur Detektorspule, z.B.
parallel zum Villary-Bändchen, angeordnet.
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Der
Arbeitspunkt der magneto-elastischen Detektoreinheit hängt neben
den magnetischen Parametern des Bias-Magneten hauptsächlich von
dessen Positionierung relativ zur Detektor-Spule ab.
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Dies
ist in mehrfacher Hinsicht nachteilig, beispielsweise beim Einsatz
des Positions-Sensors an Stellen, die mechanische, insbesondere
dynamischen mechanischen, Belastungen unterworfen sind oder auch
thermischen Belastungen, welche die magnetischen Parameter des Bias-Magneten
verändern und
insbesondere dessen Alterungsprozess, die ebenfalls eine Änderung
der magnetischen Parameter zur Folge haben, beschleunigen.
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Zusätzlich sind
alle bei der Herstellung des Bias-Magneten auftretenden Formabweichungen von
der Sollform in gleicher Weise nachteilig. Gleiches gilt für die herstellungsbedingten
Streuungen der magnetischen Parameter bei der Herstellung des Bias-Magneten.
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Ein
weiterer Nachteil bestand darin, dass bei zu starker Annäherung des
Positionsmagneten an die Detektorspule der Arbeitspunkt negativ
verändert wird.
Bei der Detektoreinrichtung gemäß dem Stand der
Technik musste daher der Wellenleiter über den Messbereich, innerhalb
dessen sich der Positionsmagnet hin und her bewegen konnte, hinaus
so weit verlängert
werden, dass sich die Detektoreinheit mit der Detektorspule ausreichend
weit vom Messbereich entfernt befand, um Störbeeinflussungen auf ein beherrschbares
Maß zu
reduzieren. Dadurch ergab sich jedoch immer eine Gesamtlänge des
Positionssensors, die deutlich größer war als sein Messbereich.
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Während in
der Vergangenheit hauptsächlich
die Bauformen mit dem quer vom Wellenleiter abstehenden Villary-Bändchen,
welches von der Detektorspule umschlossen wurde, verbreitet waren
aufgrund der dabei erzielbaren hohen Amplitude, hat dies den Nachteil
eines aufwendigen Herstellungsprozesses.
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In
der Vergangenheit war es bereits bekannt, den Wellenleiters selbst
entweder mit einem massiven Querschnitt, also als Draht, oder auch
mit einem hohlen Querschnitt, also als Rohr, zu verwenden. Bei Verwendung
des Wellenleiters auch als elektrischer Leiter wurde dabei die Vorform
bevorzugt, da hierdurch im Inneren des rohrförmigen elektrischen Leiters
kein vom elektrischen Strom erzeugtes Magnetfeld vorhanden war.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Positions-Sensor
dieses Bauprinzips so zu vereinfachen, dass trotz deutlich geringerem
Fertigungsaufwand die Funktion mit ausreichender Genauigkeit gewährleistet
ist.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es
hat sich wider Erwarten herausgestellt, dass bei Verwendung eines
elektrisch leitfähigen Wellenleiters,
der gleichzeitig als elektrischer Leiter dient, bei koaxialer Anordnung
der Detektorspule direkt auf dem elektrischen Leiter und insbesondere Anordnung
einer entsprechenden Abschirmung um die Detektorspule herum, insbesondere
in Form eines Flussleitstückes,
sich das Nutzsignal ausreichend stark von den vorhandenen Störsignalen
unterscheiden lässt,
insbesondere wenn die Abschirmung die Detektorspule möglichst
dicht umschließt.
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Dabei
kann auf eine Strombeaufschlagung der Detektorspule nicht nur verzichtet
werden, sondern diese wirkt sich unter Umständen sogar negativ aus, und
auch auf eine Kompensation der sich nach in Betrieb setzen des Sensors
verändernden
Temperatur innerhalb der Detektoranordnung kann ebenfalls verzichtet
werden.
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Somit
wird die Detektorspule in einem Endbereich koaxial auf dem drahtförmigen Wellenleiter angeordnet
und – vorher
oder nachher – mit
der Abschirmung, insbesondere mittels eines ebenfalls zylindrischen
Flussleitkörpers
versehen. Nach Anschließen
der Detektorspule an eine Detektorschaltung ist – nach geeigneter Lagerung
des Wellenleiters – der
Sensor funktionstüchtig.
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Die
Form und Anordnung des Flussleitkörpers relativ zur Detektorspule
wird dabei so gewählt, dass
der durch das Flussleitstück
ermöglichte
magnetische Flussweg die Windungen der Wicklungen der Detektorspule
wenigstens an einer Stelle umschließt, insbesondere die gesamte
Detektorspule in wenigstens einer Ebene, z. B. der axialen Ebene, umschließt. Vorzugsweise
umschließt
der Flussweg die Detektorspule dabei lückenlos.
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Dementsprechend
kann die Form des Flussleitstückes
unterschiedlich ausgebildet sein:
In einer einfachen Ausführungsform übergreift
ein C-förmiges
Flussleitstück
die koaxial auf dem Wellenleiter aufgebrachte Detektorspule so,
dass das C-Teil mit seinen freien Enden beidseits der Spule mit geringem
Abstand gegen den Wellenleiter gerichtet ist. Dadurch wird aus dem
C-förmigen
Flussleitstück und
dem entsprechenden Teil des Wellenleiters über den geringen Luftspalt
zwischen Wellenleiter und Flussleitstück hinweg ein magnetischer
Kreis geschlossen, der den magnetischen Flussweg darstellt, welcher
mittels des Flussleitstückes
ermöglicht
wird.
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Obwohl
dabei der Großteil
der Detektorspule außerhalb
dieses magnetischen Kreises liegt, wird die Signalqualität des von
der Detektorspule gelieferten elektrischen Signals dadurch bereits
stark positiv beeinflusst.
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Weiter
verbessern lässt
sich das Ergebnis, in dem die Detektorspule in immer stärkeren Maß von dem
magnetischen Flussweg eingehüllt
wird, beispielsweise durch Anordnen von zwei einander gegenüberliegenden
C-förmigen
Flussleitstücken
oder auch mehreren solcher C-förmigen
Flussleitstücke über den
Umfang des Wellenleiters verteilt.
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Im
Idealfall umschließt
ein entsprechend geformter Flussleitkörper die Detektorspule – bis auf
die benötigten
Ein- und Auslässe – möglichst
vollständig, und
wird dabei in der Regel aus zwei sich ergänzenden Formkörpern bestehen.
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Ebenso
kann eine Verbesserung des Nutzsignals relativ zu den Störsignalen
erreicht werden, wenn stattdessen und/oder ergänzend zu den vorgenannten Maßnahmen
wengistens im Bereich der Detektorspule der für den Positionssensor notwendigen elektrische
Rückleiter
koaxial um die Detektorspule herum angeordnet wird, also insbesondere
rohrförmig,
jedenfalls vorzugsweise umfänglich
geschlossen.
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Diese
Wirkung tritt besonders dann ein, wenn das Material nicht nur elektrisch
leitfähig,
sondern auch noch magnetisch abschirmend ist, also eine Permeabilität von μ > 1 aufweist.
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c) Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen
gemäß der Erfindung sind
im Folgenden beispielhaft näher
beschrieben. Es zeigen:
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1: Eine Prinzipdarstellung
des erfindungsgemäßen Positionssensors,
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2: einen Querschnitt durch
den Wellenleiter 3,
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3 – 6:
weitere Bauformen des Flussleitkörpers.
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1 zeigt den gesamten Positionssensor, bestehend
aus dem in Messrichtung verlaufenden Wellenleiter 3 und
auf dessen einem Ende befestigten Detektoranordnung 105 sowie
der mit der Detektoranordnung 105 verbundenen Detektorschaltung 50.
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Die
Detektorschaltung 50 kann dabei örtlich getrennt von der Wellenleitereinheit
angeordnet sein, und muss lediglich über zwei elektrische Leiter
mit der Detektorspule 5 verbunden sein.
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Der
Positionssensor misst die Position des in Messrichtung 10 kontaktlos
entlang der Wellenleitereinheit verschiebbaren Positionsmagneten 28 relativ zum
Sensorkopf des Wellenleiters 3, also zur Detektorspule 5.
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Der
Wellenleiter 3 weist wenigstens abschnittsweise, insbesondere über seine
gesamte Länge
einen massiven Querschnitt von vorzugsweise kreisrunder Außenkontur
auf, wie in 2 dargestellt.
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In
seinem Verlauf ist der Wellenleiter 3 z. B. in einem Stützrohr 4 aufgenommen,
welches beispielsweise einen deutlich größeren Innendurchmesser besitzt
als der Außendurchmesser
des Wellenleiters 3, und in dem der Wellenleiter 3 koaxial
positioniert ist durch Anordnung eines schlauchförmigen Abstandshalters 2 aus
elektrisch nicht leitendem und nicht magnetischem Material, insbesondere
einem Kunststoffmaterial, welches koaxial um den Wellenleiter 3 herum
und innerhalb des Stützrohres 4 angeordnet
ist.
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Das
vom Detektorkopf und damit der Detektorspule 5 abgewandte
freie Ende des Wellenleiters 3 ist in einer speziellen
Dämpfungsanordnung 7 aufgenommen.
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Die
Detektorspule 5 ist koaxial auf dem Wellenleiter 3 angeordnet,
berührt
diesen jedoch nicht, so dass dazwischen eine Distanzhülse aus
elektrisch nicht leitendem Material angeordnet ist.
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Bei
der Detektorspule 5 können
die Wicklungen in Ebenen quer zur Längsrichtung 10 angeordnet sein,
oder auch – bei
Ausbildung der Detektorspule 5 als Toroid-Spule – in Ebenen
entlang der Längsrichtung 10.
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Der
Wellenleiter 3 kann nur auf einer Stirnseite die Detektorspule 5 verlassen,
wie in der 1a dargestellt,
oder die Detektorspule 5 auch in Längsrichtung komplett durchdringen,
wie in 1b dargestellt.
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Abhängig davon
weist der Flussleitkörper 30 nur
eine einzige oder zwei gegenüberliegende
stirnseitige Öffnungen 5a, 5a' für das Ein-
und ggf. auch Austreten des Wellenleiters 3 und ggf. dessen
Isolierhülse
gegenüber
der Detektorspule 5 auf, und darüber hinaus wenigstens eine Öffnung 5b zum
Hindurchführen
der elektrischen Anschlüsse
von der Detektorspule 5 zur Auswerteschaltung 50.
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Dabei
kann der Flussleitkörper 30 – wie in 1a dargestellt – aus zwei
Halbschalen mit Trennebene parallel zur Längsrichtung 10 bestehen
oder auch aus einem topfförmigen
Gehäuse
mit stirnseitigem Abschlussdeckel, wie in der 1b dargestellt.
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Auch
eine Bauform aus zwei mit der offenen Seite gegeneinander gerichteten
schalenförmigen Flussleitkörpern 30c,
wie in 6 im Längsschnitt und
in einer Stirnansicht dargestellt ist möglich, in der der Wellenleiter
die schalenförmigen
Teile 30c durch zentrale Wellenleiter-Öffnungen 5a bzw. 5a' in den ansonsten
geschlossenen Boden der schalenförmigen
Teile durchdringt, während
die elektrischen Anschlüsse
der Spule 5 durch wenigstens eine hier nicht zeichenbare Öffnung vorzugsweise
auf die Berührungsebene
der beiden schalenförmigen
Teile 30c den Innenraum des Flussleitkörper verlassen.
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Im
Gegensatz zu den vorbeschriebenen Varianten, in denen der Flussleitkörper 30 die
Detektorspule 5 bis auf die benötigten Durchtrittsöffnungen
für elektrische
Anschlüsse
und den Wellenleiter 3 weitestgehend vollständig umschließt, zeigen
die 3 – 5 jeweils in Seitenansicht
und Stirnansicht Lösungen,
bei denen der Flussleitkörper
aus einem oder mehreren C-förmigen
Flussleitstücken 30a bzw. 30b besteht,
die somit die Detektorspule 5 nicht vollständig einschließen.
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In
der einfachsten Lösung
gemäß 3 ist ein solches C-förmiges Flussleitstück 30a mit
seinem verbindenden Längsschenkel
in Längsrichtung 10 ausgerichtet,
also parallel zum Wellenleiter 3, so dass die beiden freien
Enden des C-Teiles 30a beidseits der stirnseitigen Enden
der Detektorspule 5 gegen den Wellenleiter 3 gerichtet
sind, mit einem möglichst
geringem Luftspalt zwischen dem Wellenleiter 3 und dem
C-förmigen
Flussleitstück 30a.
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Gemäß den 4 sind zwei solcher C-Teile 30a auf
einander gegenüberliegenden
Seiten des Wellenleiters 3 gegeneinander gerichtet entsprechend
angeordnet, so dass hierdurch bereits die gesamte Detektorspule 5 innerhalb
des Flussleitstückes 30 liegt,
jedoch von diesem wiederum nicht vollständig dicht eingeschlossen wird.
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Durch
steigende Anzahl von über
den Umfang verteilt angeordneten solchen C-Teilen 30a, beispielsweise
drei C-Teile 30a wie in den 5 dargestellt,
oder einer höheren
Anzahl von C-Teilen, werden die nicht von Flussleitstücken abgedeckten
Umfangsbereiche der Detektorspule 5 immer geringer und
damit die Qualität
des von der Detektorspule 5 gelieferten Signals immer besser.
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4c zeigt eine Abwandlung
zweier C-förmiger
Flussleitstücke 30b,
die in diesem Fall nicht jeweils auf einer der beiden Seiten des
Wellenleiters angeordnet sind, sondern die beide auf den Wellenleiter 3 aufgefädelt sind
mittels in dem verbindenden Schenkel der C-Teile 30b vorhandener
Wellenleiter-Öffnungen 5a,
während
die frei endenden Schenkel der Flussleitstücke gegeneinander gerichtet
sind und sich auch gegenseitig berühren sollen.
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In
der Seitenansicht gemäß 4d dieser Lösung ist
zu erkennen, dass die Detektorspule 5 auf in der Seitenansicht
oder auch im Querschnitt z. B. H-förmigen Spulengrundkörper 1 aufgewickelt
sein kann, an Stelle der in den übrigen
Zeichnungen dargestellten Grundkörper-freien,
selbsttragenden, Detektorspulen 5.
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4c zeigt in der perspektivischen
Ansicht die zu den zwei gegenüberliegenden
Seiten hin offenen, nicht vom Flussleitkörper 30 abgedeckten
Seiten einer solchen Detektorspule 5, aus denen die entsprechenden
Anschlüsse
für die
Detektorspule 5 herausgeführt werden können.
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Darüber hinaus
zeigt 1 c eine Lösung, bei
der die ebenfalls koaxial auf dem Wellenleiter 3 angeordnete
Detektorspule 5 nicht von einem Flussleitkörper sondern
von einem koaxial um die Detektorspule 5 herum angeordneten, rohrförmigen elektrischen
Rückleiter 6 umgeben
ist. Diese Wirkung tritt besonders dann ein, wenn dessen Material
nicht nur elektrisch leitfähig,
sondern auch noch magnetisch abschirmend ist, also eine Permeabilität von μ > 1 aufweist.
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Auch
hierdurch werden von außen
auf die Detektorspule 5 einwirkende Magnetfelder abgehalten.
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Auch
eine Kombination beider Möglichkeiten,
also die Anordnung eines Flussleitkörpers zusätzlich zu einem koaxialen Rückleiter 6 mit
den beschriebenen Eigenschaften, ist möglich.
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- 1
- Grundkörper
- 2
- Stützschlauch
- 3
- Wellenleiter
- 4
- Stützrohr
- 5
- Detektorspule
- 5a,
5a'
- Wellenleiter-Öffnung
- 5b
- Anschluss-Öffnung
- 6
- Rückleiter
- 7
- Dämpfungsanordnung
- 10
- Längsrichtung
- 28
- Positionsmagnet
- 30
- Flussleitkörper
- 30a
- C-förmiges Flussleitstück
- 30b
- C-förmiges Flussleitstück
- 30c
- schalenförmiges Flussleitstücke
- 50
- Auswerteschaltung
- 105
- Detektoranordnung