DE112011104961B4

DE112011104961B4 - Als Gradiometer ausgestalterer Induktiver Sensor

Info

Publication number: DE112011104961B4
Application number: DE112011104961.7T
Authority: DE
Inventors: Jörg Gross
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: DE112011104961B8; DE112011104961A5; WO2012113361A1

Abstract

Als Gradiometer ausgestatteter induktiver Sensor mit einer Spulenanordnung (18), die wenigstens eine Erregerspule (20) und zwei Detektionsspulen (22, 24) enthält, wobei die Spulenanordnung (18) durch eine elektromagnetische Wechselwirkung mit einem zu detektierenden Ziel (40) beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein im Erregerfeld der wenigstens einen Erregerspule (20) angeordneter elektrischer Leiter (12) zur Bündelung des magnetischen Flusses des Erregerfelds in Richtung des Ziels (40) vorgesehen ist, der in Umfangsrichtung der Erregerspule (20) wenigstens zwei Bereiche (16a, 16b, 16c, 16d) aufweist, die bei Vorhandensein eines Erregerfelds jeweils einen Wirbelstrom führen, sodass das magnetische Feld Teilbereiche (52) aufweist, in denen das magnetische Feld in Richtung der Sensorachse (34) zeigt und Teilbereiche (54) aufweist, in denen das magnetische Feld entgegen der Sensorachse (34) zeigt, wobei diese Flussdichtekomponenten in Umfangsrichtung des induktiven Sensors (10) abwechselnd entgegengesetzt gerichtet sind.

Description

Die Erfindung geht aus von einem als Gradiometer ausgestalteten induktiven Sensor nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Bei einem induktiven Sensor tritt eine vergleichsweise hohe Feldamplitude wenigstens einer Erregerspule gegenüber einer extrem kleinen Feldamplitude auf, die aus der Rückwirkung eines zu detektierenden Ziels resultiert. Eine Erfassung der Änderung der Feldamplitude durch den Einfluss des mit dem induktiven Sensor zu erfassenden Ziels erfordert eine Auflösung des Mess-Systems von mehreren Größenordnungen. Größere Detektionsbereiche können mit einem kostengünstigen Mess-System nicht ohne Weiteres erreicht werden. Hierbei ist zu beachten, dass eine Erhöhung des Detektionsbereichs von beispielsweise zweifach auf dreifach ungefähr eine zehnfache Erhöhung der Auflösung des Mess-Systems erfordert.
Mit einem als Gradiometer ausgestalteten induktiven Sensor kann prinzipiell eine sehr hohe Unterdrückung des Erregerfeldes erreicht werden, wenn die Detektionsspulen derart angeordnet werden, dass die von den Spulen jeweils umfassten Flussanteile nahezu identisch sind. Ein induktiver Sensor, der eine ausgeprägte Empfindlichkeit in Richtung des Ziels, also in Detektionsrichtung des induktiven Sensors, und gleichzeitig möglichst keine Empfindlichkeit gegenüber einem elektromagnetisch wirksamen Material in seiner unmittelbaren Umgebung aufweisen soll, erfordert prinzipiell eine sehr wirksame Ausrichtung des magnetischen Feldes.
Bei einer alternativen Ausgestaltung des induktiven Sensors, bei dem zwei Spulen als Erregerspulen geschaltet sind und eine Empfangsspule vorgesehen ist, tritt die gleiche Problematik auf. Auch in diesem Fall sollte elektrisch leitfähiges oder magnetisierbares Material im Bereich des induktiven Sensors möglichst keinen Einfluss auf das Messergebnis und letztlich auf den erreichbaren sicheren Detektionsbereich haben.
Stand der Technik
Grundsätzlich kann eine Ausrichtung eines magnetischen Feldes mittels einer Wirbelstromabschirmung erreicht werden, die ein Spulensystem topfförmig umschließt. Diese Lösung weist zwei erhebliche Nachteile auf. Einerseits ist für eine ausreichende Schirmwirkung eine erhebliche Wandstärke der Wirbelstromschirmung erforderlich, die bei kleinen Bauformen schwer unterzubringen ist. Andererseits verursacht die Wirbelstromschirmung eine Verzerrung der Symmetrie des Erregerfeldes, sodass die Unterdrückung des Erregerfeldes durch eine differenzielle Anordnung von Detektionsspulen nicht mehr sichergestellt werden kann.
Eine Vorrichtung zur Ausrichtung eines magnetischen Feldes ist beispielsweise in der Patentschrift US 5 248 989 A beschrieben. Die Ausrichtung erfolgt mit einem Wirbelstrom führenden Leiter, der als Metallplatte mit einem Schlitz gefertigt ist. Der Wirbelstrom entsteht als Gegenreaktion zu einem Erregerfeld, das eine Erregerspule erzeugt, welche vom Wirbelstrom führenden Leiter umgeben ist.
Weiterhin ist in der Patentschrift US 6 057 683 A ein induktiver Sensor beschrieben, der eine Erregerspule aufweist, die innerhalb eines elektrisch leitfähigen Sensorgehäuses angeordnet ist. Das Sensorgehäuse ist als Feldkonzentrator ausgebildet, der eine geschlitzte Zylinderwand und einen geschlitzten Boden aufweist.
In der Patentschrift DE 10 2006 053 222 B4 ist ein als induktiver Näherungsschalter ausgestalteter induktiver Sensor beschrieben, der eine auf einem Spulenträger angeordnete Sendespule und wenigstens eine Detektionsspule aufweist. Eine als Ergänzungsspule bezeichnete Spule, welche ein zu dem von der wenigstens einen Sendespule der Spulenanordnung erzeugten Erregerfeld proportionales Kompensationsfeld aufbauen soll, ist ebenfalls auf einem Spulenträger angeordnet, auf dessen Rückseite ein elektrisch leitender Schirm vorgesehen ist.
Die EP 0 483 786 A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Formung eines Magnetfeldes.
Ein induktiver Positionssensor geht aus der EP 1 738 140 B1 hervor.
Die DE 10 2006 040 550 A1 offenbart einen induktiven Näherungsschalter mit einem aus einem unmagnetischen Edelstahl bestehenden Gehäuse, mit einer Sendespule mit zwei symmetrisch zur Sendespule angeordneten, gegensinnig in Reihe geschalteten Empfangsspulen und mit einer an die Empfangsspulen angeschlossenen Auswerteschaltung.
Die GB 1 112 763 A offenbart einen induktiven Wandler zur Messung der Winkelverschiebung, der aus zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Spulen besteht, die von einem Rohr aus nichtmagnetischem, elektrisch leitendem Material, z.B. Aluminium, mit einem Längsschlitz umgeben sind. Die erste Spule wird mit Wechselstrom erregt und die Verzerrung des resultierenden Magnetfelds, die durch die asymmetrischen Wirbelströme im Rohr erzeugt wird, bewirkt das Auftreten einer induzierten Spannung in der zweiten Spule, deren Amplitude das Winkelverhältnis zwischen dem Rohr und der Spulenanordnung angibt.
Ein induktiver Näherungssensor ist ferner aus der US 2007 / 0 024 275 A1 bekannt geworden.
Die US 3 887 865 A offenbart ein Wirbelstromprüfgerät mit einer Einrichtung zur Induzierung von Wirbelströmen in einem zu untersuchenden Gegenstand und mit Detektor- und Anzeigeeinrichtung, die auf Änderungen dieser Wirbelströme ansprechen, zur Anzeige von Änderungen in dem Gegenstand.
Die US 6 443 020 B1 offenbart einen Differenzwinkelstellungssensor für eine Lenksäule, der ein oberes Geberrad und ein unteres Geberrad umfasst. Jedes Geberrad bildet eine Vielzahl ähnlich geformter Schlitze, die radial um die Geberräder gleichermaßen beabstandet sind. Zwei Empfängerwicklungen und eine Anregungswicklung sind koaxial mit den Geberrädern ausgerichtet. Ein hohles Gehäuse umgibt die Geberräder und die Wicklungen. Die Anregungswicklung erzeugt ein Wechselstrommagnetfeld um sich herum, und dieses Wechselstrommagnetfeld erzeugt einen Wirbelstrom in den Geberrädern. Die Empfängerwicklungen empfangen ein Wechselstromsignal, das eine Kombination des Wechselstrommagnetfeldes, das durch die Anregungswicklung erzeugt wird, und des Wirbelstromes darstellt. Die Empfängerwicklungen erfassen Änderungen in dem Wechselstromsignal infolge einer unterschiedlichen Ausrichtung der Schlitze der Geberräder und daher des Drehmomentes auf der Lenksäule, die mechanisch mit dem Sensor gekoppelt ist.
Allgemein üblich ist eine Ausrichtung eines magnetischen Feldes mittels ferromagnetischem Material. Hierzu werden ferromagnetische Schalenkerne eingesetzt. In der Praxis muss hierbei mit teils erheblichen Chargenabweichungen in der Fertigung der ferromagnetischen Materialien gerechnet werden, die in den Datenblättern zwar im Rahmen von Toleranzbereichen spezifiziert sind, bei der Fertigung eines induktiven Näherungssensors jedoch eine Justierung jedes einzelnen Sensors erforderlich machen. Gleichermaßen muss auf Geometrietoleranzen reagiert werden. Der gravierendste Nachteil eines ferromagnetischen Flussleiters liegt jedoch in der Abhängigkeit seiner Permeabilität von der (Gleichstrom-)Vormagnetisierung. Im industriellen Einsatz der induktiven Näherungssensoren muss mit derartigen externen Magnetfeldern im Bereich von Anlagen, beispielsweise Schweißanlagen, die starke Magnetfelder erzeugen, stets gerechnet werden.
Induktive Näherungssensoren, die in der vorliegenden Patentanmeldung eingesetzt werden, sind im Internet unter dem zur Anmelderin führenden Link: http://www.balluff.com beschrieben. Die induktiven Näherungssensoren stelten ein Schaltsignal bereit, das die Anwesenheit eines Ziels innerhalb eines spezifizierten Detektionsbereichs signalisiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Sensor mit einem möglichst großen Detektionsbereich anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem als Gradiometer ausgestalteten induktiven Sensor mit einer Spulenanordnung die wenigstens eine Erregerspule und wenigstens eine Detektionsspule enthält, wobei die Spulenanordnung durch eine elektromagnetische Wechselwirkung mit einem zu detektierenden Ziel beeinflussbar ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein im Erregerfeld der wenigstens einen Erregerspule angeordneter elektrischer Leiter vorgesehen ist, der in Umfangsrichtung der Erregerspule wenigstens zwei Bereiche aufweist, welche bei Vorhandensein eines Erregerfelds jeweils einen Wirbelstrom führen.
Der elektrische Leiter mit den bei Vorhandensein eines Erregerfelds jeweils einen Wirbelstrom führenden Bereichen wird im Folgenden auch kurz als Wirbelströme führender Leiter bezeichnet.
Die Anordnung wenigstens eines Wirbelströme führenden Leiters in der Spulenanordnung des erfindungsgemäßen als Gradiometer ausgestalteten induktiven Sensors führt zu einer Bündelung des Erregerfeldes, ohne weiteren radialen Bauraum des Sensorgehäuses zu beanspruchen. Das von einer beispielsweise toroidförmigen Erregerspule ausgehende magnetische Feld kann derart geformt werden, dass im Wesentlichen nur eine orthogonal zur axialen Sensorrichtung aufgespannte Fläche von im Wesentlichen axialen Flussdichtekomponenten mit positiven und negativen Amplituden durchsetzt wird.
Das magnetische Wechselfeld wird also derart geformt, dass es in axialer Richtung überwiegend axialparallele Flussdichtekomponenten positiver und negativer Amplituden aufweist, die bei einem beispielsweise rotationssymmetrischen induktiven Sensor rotationssymmetrisch, jedoch nicht koaxial angeordnet sind. Das bedeutet, dass die Austrittsfläche des induktiven Sensors abwechselnd von positiven und negativen Flussdichtekomponenten durchsetzt wird, die auf einem koaxialen Ring liegen.
Der magnetische Fluss wird durch den wenigstens einen Wirbelströme führenden Leiter in vergleichbarer Weise in Richtung des zu detektierenden Ziels gebündelt, wie dies durch die bekannten ferromagnetischen Flussleiteinrichtungen erreicht wird, jedoch ohne deren Nachteile, die insbesondere in der Beeinflussung durch externe Magnetfelder liegen. Das Fehlen von bruchanfälligen Flussleitern aus Ferrit erhöht zudem die mechanische Robustheit.
Die Symmetrie des Gradienten der axialen Flussdichtekomponente einer zylindrischen Erregerspule wird durch eine einseitige Abschirmung in axialer Richtung erheblich gestört. In axialer Richtung oberhalb und unterhalb einer Erregerspule angeordnete Spulen eines axialen Gradiometers werden daher von Flussdichteanteilen durchdrungen, die sich nach Betrag und insbesondere Phase erheblich unterscheiden. Hier ermöglicht der erfindungsgemäße Einsatz des wenigstens einen elektrischen Leiters mit den wenigstens zwei Bereichen, die bei Vorhandensein eines Erregerfeldes jeweils einen Wirbelstrom führen, eine Formung der Geometrie des Erregerfeldes, sodass dessen Symmetrie bezüglich der wenigstens einen Empfangspule des induktiven Sensors in der erforderlichen Weise erzielt wird, wobei die Optimierung hinsichtlich sowohl des Betrags des Feldes als auch hinsichtlich dessen Phase erfolgen kann.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen die Realisierung eines Sensorgehäuses des induktiven Sensors mit einem geringen Gehäusedurchmesser. Die erzielbare Feldbündelung ist vorteilhaft für einen bündigen Einbau des erfindungsgemäßen induktiven Sensors in einer Sensorhalterung.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen weiterhin eine Minimierung der Empfindlichkeit des Gesamtsystems gegenüber elektromagnetisch wirksamen Objekten in der unmittelbaren Nähe des induktiven Sensors. Der wenigstens eine Wirbelströme führende Leiter ist derart auszugestalten, dass die Wirbelströme über den Umfang der wenigstens einen Erregerspule verteilt, in einzelnen Bereichen eine Auslöschung des Erregerfeldes ergeben. Diese Voraussetzung wird durch die Realisierung des elektrischen Leiters mit den in Umfangsrichtung der Erregerspule wenigstens zwei jeweils einen Wirbelstrom führenden Bereichen erreicht.
Die resultierende axiale Komponente der magnetischen Flussdichte weist dann, über den Umfang des Spulensystems verteilt, abwechselnd positive und negative Anteile auf. Durch die mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen erzielte Konstellation des magnetischen Flusses wechseln sich demnach außerhalb des induktiven Sensors und in gegebenenfalls vorhandenen, den induktiven Sensor umgebenden elektromagnetisch wirksamen Materialen über den Umfang verteilt Bereiche induzierter Wirbelströme mit wechselnder Stromrichtung ab, sodass sich insgesamt der Einfluss auf das Spulensystem des erfindungsgemäßen induktiven Sensors weitestgehend aufhebt.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen induktiven Sensors sind Gegenstände jeweils der abhängigen Ansprüche.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurzbeschreibung der Figuren

1 zeigt ein Schnittbild durch einen erfindungsgemäßen Sensor mit elektrischen Leitern, die Wirbelströme führende Bereiche aufweisen,
2 zeigt eine isometrische Ansicht von Wirbelströme führenden Bereichen des elektrischen Leiters,
3 zeigt die axiale Komponente einer magnetischen Flussdichteverteilung in einer Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen induktiven Sensor,
4 zeigt eine isometrische Ansicht der Oberseite eines zweiteiligen Wirbelströme führenden Leiters,
5 zeigt eine isometrische Ansicht der Unterseite des in 4 gezeigten zweiteiligen Wirbelströme führenden Leiters,
6 zeigt ein Schnittbild des in den 4 und 5 gezeigten zweiteiligen Wirbelströme führenden Leiters,
7 zeigt eine isometrische Ansicht der Oberseite eines einteiligen, in einem Gehäuse angeordneten Wirbelströme führenden Leiters gemäß einer alternativen Ausgestaltung,
8 zeigt eine isometrische Ansicht der Unterseite des in 7 gezeigten Wirbelströme führenden Leiters,
9 zeigt ein Schnittbild des in den 7 und 8 gezeigten Wirbelströme führenden Leiters,
10 zeigt eine isometrische Ansicht der Unterseite eines zweiteiligen Wirbelströme führenden Leiters gemäß einer weiteren Ausgestaltung,
11 zeigt eine isometrische Ansicht der Oberseite des in 10 gezeigten Wirbelströme führenden Leiters,
12 zeigt ein Schnittbild des in den 10 und 11 gezeigten Wirbelströme führenden Leiters,
13 zeigt ein Schnittbild eines zweiteiligen Wirbelströme führenden Leiters gemäß einer nochmals anderen Ausgestaltung,
14 zeigt eine isometrische Ansicht der Unterseite des in 13 gezeigten Wirbelströme führenden Leiters,
15 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen induktiven Sensors mit zwei unterschiedlich ausgestalteten Wirbelströme führenden Leitern sowie drei Spulen und
16 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen induktiven Sensors mit zwei Spulen.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Schnittbild durch einen erfindungsgemäßen induktiven Sensor 10 mit zwei elektrischen Leitern 12, die jeweils mehrere Bereiche 16a, 16b, 16c enthalten, die bei Vorhandensein eines Erregerfeldes jeweils einen Wirbelstrom führen. Der induktive Sensor 10 enthält eine Spulenanordnung 18, die im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Erregerspule 20 sowie zwei Detektionsspulen 22, 24 umfasst. In Detektionsrichtung 26 des induktiven Sensors 10, die vom induktiven Sensor 10 wegzeigt, ist ein Wirbelströme führender Leiter 12 vor und ein Wirbelströme führender Leiter 12 hinter der Erregerspule 20 angeordnet.
Die Wirbelströme führenden Leiter 12 sowie die Spulenanordnung 18 sind in einem Sensorgehäuse 28 angeordnet, das im gezeigten Ausführungsbeispiel ein inneres Gehäuse 30 und ein äußeres Gehäuse 32 aufweist. Das Sensorgehäuse 28 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel zylindrisch mit einer Sensorachse 34 ausgebildet. Vorzugsweise ist das innere Gehäuse 30 elektrisch leitfähig. Üblicherweise ist auch das äußere Gehäuse 32 aus Metall gefertigt. Das Sensorgehäuse 28 ist auf seiner Rückseite geschlossen und auf seiner Vorderseite in Detektionsrichtung 26 mit einem Schutzdeckel 38 abgeschlossen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Schutzdeckel 38 als metallischer, also elektrisch leitfähiger Schutzdeckel 38 realisiert ist.
Der erfindungsgemäße induktive Sensor 10 stellt ein mittels einer nicht näher gezeigten elektronischen Schaltung gewonnenes Schaltsignal bereit, wenn ein innerhalb eines Detektionsbereichs A liegendes Ziel 40 detektiert wird. Hierzu wird mittels der wenigstens einen Erregerspule 20 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches in Detektionsrichtung 26 des induktiven Sensors 10 außerhalb in Detektionsrichtung 26 vor dem Schutzdeckel 38 auftritt. Das Ziel 40 muss magnetfeldbeeinflussende Eigenschaften aufweisen, sodass eine Änderung des Magnetfelds anhand der in wenigstens eine Detektionsspule 22, 24 induzierten Spannung auftreten kann, welche bewertet wird.
Bei der in 1 gezeigten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen induktiven Sensors 10 sind zwei Detektionsspulen 22, 24 vorgesehen, sodass der induktive Sensor 10 als Gradiometer betrieben werden kann. Die Spulenanordnung 18 mit den drei Spulen 20, 22, 24 ist derart abzustimmen, dass die beiden Detektionsspulen 22, 24 ohne anwesendes Ziel 40 abgeglichen sind und kein Differenzsignal auftritt. Die umgekehrte Funktion ist ebenfalls realisierbar, sodass das Gradiometer mit anwesendem Ziel 40 im Schaltpunkt abgeglichen ist.
Ein Ziel 40 innerhalb des Detektionsbereichs A führt aufgrund des unterschiedlichen Abstands der Detektionsspulen 22, 24 zum Ziel 40 zu einer Differenz der induzierten Spannungen, welche erfasst und bewertet wird.
Mit der exemplarisch in 1 gezeigten Anordnung kann prinzipiell eine sehr hohe Unterdrückung des Erregerfeldes in Bezug auf die Detektionsspulen 22, 24 erreicht werden.
Eine Unterdrückung des Erregerfeldes in Bezug auf die in Bezug auf die Detektionsrichtung 26 vordere Detektionsspule 24 ergibt sich auch dadurch, dass sich die über den Umfang der Spulenanordnung 18 abwechselnden positiven und negativen axialen Flussdichteanteile des Erregerfeldes, integriert über den Querschnitt der vorderen Detektionsspule 24, weitgehend aufheben. Der die vordere Detektionsspule 24 durchsetzende Flussdichteanteil, der vom Einfluss des Ziels 40 herrührt, ist dagegen koaxial verteilt. Somit ergibt sich gewissermaßen eine Richtungstrennung zwischen dem Erregerfeld und der zu detektierenden Feldrückwirkung des Ziels 40. Aufgrund dieser Wirkung kann rein prinzipiell auf die in Detektionsrichtung 26 gesehen hintere Detektionsspule 22 verzichtet werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel wird weiter unten in Verbindung mit 16 noch näher gezeigt.
Zum Erreichen eines möglichst großen Detektionsbereichs A des induktiven Sensors 10 ist eine ausgeprägte Empfindlichkeit in Richtung des Ziels 40, also in Detektionsrichtung 26 des induktiven Sensors 10, und gleichzeitig möglichst keine Empfindlichkeit gegenüber einem elektromagnetisch wirksamen Material in der Umgebung des induktiven Sensors 10 erforderlich. Hierzu ist eine sehr wirksame Ausrichtung des magnetischen Feldes erforderlich. Im Idealfall soll im Außenbereich des induktiven Sensors 10, außer in Detektionsrichtung 26, überhaupt kein Magnetfeld auftreten.
Eine Erhöhung des Detektionsbereichs A des induktiven Sensors 10 wird durch den erfindungsgemäß vorgesehenen wenigstens einen elektrischen Leiter 12 erreicht, der wenigstens zwei in Umfangsrichtung der Erregerspule 20 angeordnete Bereiche 16a, 16b, 16c, die bei Vorhandensein eines Erregerfeldes jeweils einen Wirbelstrom führen.
Grundsätzlich kann lediglich nur ein Wirbelströme führender Leiter 12 im erfindungsgemäßen induktiven Sensor 10 vorhanden sein, der in Bezug auf die Detektionsrichtung 26 vorzugsweise vor der wenigstens einen Erregerspule 20 angeordnet ist. Alternativ kann der Wirbelströme führende Leiter 12 jedoch auch hinter der wenigstens einen Erregerspule 20 positioniert sein. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist beispielhaft ein Wirbelströme führender Leiter 12 in Detektionsrichtung 26 vor der Erregerspule 20 und ein weiterer Wirbelströme führender Leiter 12 hinter der Erregerspule 20 angeordnet.
Der wenigstens eine Wirbelströme führende Leiter 12 führt in Umfangsrichtung des induktiven Sensors 10 zu abwechselnd entgegengesetzt gerichteten magnetischen Flussdichtekomponenten, die sich in der Umgebung des induktiven Sensors 10 außerhalb des Sensorgehäuses 28 weitgehend aufheben, sodass das resultierende Magnetfeld wenigstens näherungsweise zu null wird. Dadurch kann elektromagnetisch wirksames Material im Außenbereich des erfindungsgemäßen induktiven Sensors 10 (außer in Detektionsrichtung 26) keine Beeinflussung des magnetischen Flusses in der wenigstens einen Detektionsspule 22, 24 bewirken. Die Empfindlichkeit in Detektionsrichtung 26 kann dadurch erheblich gesteigert werden, sodass der Detektionsbereich A größer wird.
Der erfindungsgemäße Einsatz des wenigstens einen elektrischen Leiters 12 mit den wenigstens zwei Bereichen 16a, 16b, 16c, die bei Vorhandensein eines Erregerfeldes jeweils einen Wirbelstrom führen, ermöglicht eine Formung der Geometrie des magnetischen Erregerfeldes, sodass dessen Symmetrie bezüglich der wenigstens einen Detektionsspule 22, 24 erzielt wird. Die Optimierung kann hinsichtlich sowohl des Betrags des Feldes als auch hinsichtlich dessen Phase erfolgen.
Sofern der Schutzdeckel 38 mit elektrisch leitfähigem Material realisiert ist, bewirken die abwechselnden Richtungen der axialen Flussdichtekomponenten, die den Schutzdeckel 38 durchsetzen, dass die Beeinflussung des Detektionssignals durch die vom Erregerfeld im Schutzdeckel 38 induzierten Wirbelströme vergleichsweise gering ist.
In 2 ist eine isometrische Ansicht eines im Ausführungsbeispiel gemäß 1 eingesetzten elektrischen Leiters 12 mit den Bereichen 16a, 16b, 16c, 16d gezeigt, die bei Vorhandensein eines Erregerfeldes jeweils einen Wirbelstrom führen. Die Optimierung des magnetischen Feldes erfolgt vorzugsweise anhand von Versuchen oder anhand von Berechnungen, die in eine Vorgabe der Form des Wirbelströme führenden Leiters 12 und dessen geometrische Anordnung im induktiven Sensor 10 führt.
Die jeweils einen Wirbelstrom führenden Bereiche 16a, 16b, 16c, 16d zeichnen sich insbesondere durch die jeweils herausgebildete Fläche aus, welche von den Feldlinien des Erregerfeldes der Erregerspule 20 durchsetzt wird. Die in Bezug auf das Erregerfeld wirksame Fläche der jeweils einen Wirbelstrom führenden Bereiche 16a, 16b, 16c, 16d ist auf die gewünschte Stärke der Wirbelströme abzustimmen. Die durch die Wirbelströme verursachten Feldlinien sind entgegengesetzt zu den Feldlinien des Erregerfeldes gerichtet.
Variiert werden können weiterhin beispielsweise die nicht näher bezeichneten Abstände eines Wirbelströme führenden Leiters 12 zu einzelnen Spulen 20, 22, 24. Bei der in 2 gezeigten Ausgestaltung handelt es sich um zylinderförmige Bereiche 16a, 16b, 16c, 16d, welche eine vorgegebene Dicke D aufweisen.
Die Dicke D kann anhand von Berechnungen und/oder aufgrund von Versuchen festgelegt werden. Die Dicke D der Bereiche 16a, 16b, 16c, 16d wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der Frequenz des magnetischen Erregerfeldes gewählt, welche im Bereich von beispielsweise 5 kHz bis 10 MHz liegen kann. Die Dicke D liegt hierbei im Bereich von einigen 10 µm bis einigen Millimetern, beispielsweise bei 5 mm.
Die Wirbelströme führenden Leiter 12 können auch durch einen geschichteten Aufbau, beispielsweise innerhalb einer vorzugsweise mehrlagigen gedruckten Leiterplatte realisiert werden. Ebenso können zumindest einzelne Spulen der Spulenanordnung 18 als gedruckte Strukturen auf einer Leiterplatte realisiert sein.
3 zeigt eine Feldverteilung 50 in einer Draufsicht in Richtung des Schutzdeckels 38 des erfindungsgemäßen induktiven Sensors 10. Der wiedergegebenen Feldverteilung 50 liegen acht Bereiche 16 eines Wirbelströme führenden Leiters 12 zugrunde, die in Bezug auf den Umfang des induktiven Sensors 10 acht Teilbereiche 52 aufweisen, in denen das magnetische Feld in Bezug auf die Sensorachse 34 senkrecht aus der Zeichenebene herauszeigt und abwechselnd entsprechend acht Teilbereiche 54 aufweist, in denen das magnetische Feld in Bezug auf die Sensorachse 34 senkrecht in die Zeichenebene hineinzeigt. Wesentlich ist weiterhin, dass außerhalb des strichliniert angedeuteten Umfangs 56 des Sensorgehäuses 28 nahezu kein magnetisches Feld mehr auftritt.
4 zeigt eine isometrische Ansicht der Oberseite eines zweiteilig realisierten Wirbelströme führenden Leiters 12. In radialer Richtung des induktiven Sensors 10 ist ein innerer erster Teil 60 des Wirbelströme führenden Leiters 12 und ein in radialer Richtung benachbart zum inneren Teil 60 ein äußerer zweiter Teil 62 des Wirbelströme führenden Leiters 12 angeordnet. Bei einer solchen Realisierung wird die Erregerspule 20 zumindest näherungsweise in radialer Richtung am Übergang zwischen dem inneren ersten und äußeren zweiten Teil 60, 62 des Wirbelströme führenden Leiters 12 positioniert.
Der äußere zweite Teil 62 des Wirbelströme führenden Leiters 12 weist in Bezug auf die Umfangsrichtung mehrere rotationssymmetrisch angeordnete Bereiche 16a, 16b, 16c, 16d auf, die gegenüber der Sensorachse 34 angeschrägt sind, wobei die Schrägen 64a, 64b, 64c, 64d in Detektionsrichtung 26 nach vorn innen geneigt sind.
Das innere erste Teil 60 des Wirbelströme führenden Leiters 12 weist Aussparungen 66a, 66b auf, die gegenüber den Segmenten 16a, 16b, 16c, 16d des äußeren Teils 62 liegen. Vorzugsweise sind die Aussparungen 66a, 66b in radialer Sensorrichtung abgeschrägt, wobei die Schrägen 68a, 68b zu den Schrägen 64a, 64b, 64c, 64d des äußeren zweiten Teils 62 korrespondieren. In Detektionsrichtung 26 betrachtet, sind die Schrägen 68a, 68b nach hinten außen angeschrägt.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die tangentialen Begrenzungen der Aussparungen 66a, 66b des inneren Teils 60 in axialer Richtung verkippt werden. Die Verkippung kann auch derart erfolgen, dass gegenüberliegende Begrenzungsflächen mit unterschiedlichen Winkeln verkippt werden, um die Richtung des magnetischen Flusses in tangentialer Richtung zu kippen.
5 zeigt eine isometrische Ansicht der Unterseite des zweiteiligen Wirbelströme führenden Leiters 12 gemäß 4, wobei übereinstimmende Teile der 4 und 5 gleich bezeichnet sind. Dies gilt auch für die folgenden Figuren.
6 zeigt ein Schnittbild des zweiteiligen Wirbelströme führenden Leiters 12 gemäß den 4 und 5 mit Blick auf die Unterseite.
7 zeigt eine isometrische Ansicht der Oberseite eines einteiligen, im inneren Gehäuse 30 angeordneten Wirbelströme führenden Leiters 12. Der Wirbelströme führende Leiter 12 ist als elektrisch leitfähige Scheibe 70 realisiert, die im gezeigten Ausführungsbeispiel in Detektionsrichtung 26 gesehen vor der Erregerspule 20 positioniert ist.
Die Scheibe 70 weist Kanäle 72 in axialer Richtung auf, die in einem Radius, der größer als der Radius der Erregerspule 20 ist, vorgesehen sind und sich mit weiteren, zur axialen Richtung gekippten Kanälen 74 abwechseln, die auf der Vorderseite in Bezug auf die Detektionsrichtung 26 in einem Radius beginnen, der größer als der Radius der Erregerspule 20 ist, auf der Seite der Erregerspule 20 aber einen Radius aufweisen, der kleiner als der Radius der Erregerspule 20 ist. Die Kanäle 72, 74 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisch in Bezug auf die Sensorachse 34 angeordnet.
Die Kanäle 72 und/oder die gekippten Kanäle 74 können zusätzlich in tangentialer Richtung gekippt sein. Weiterhin können die Kanäle 72 und/oder die gekippten Kanäle 74 einen Querschnitt aufweisen, der in Bezug auf die Sensorrichtung 26 zunimmt oder abnimmt.
Die axialen Kanäle 72, gegebenenfalls in Verbindung mit den gekippten Kanälen 74 bilden jeweils einen Bereich 16a, 16b. Die Bereiche 16a, 16b sind im Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisch in Bezug auf die Sensorachse 34 positioniert.
8 zeigt eine isometrische Ansicht mit Blick auf die Unterseite des in 7 gezeigten Wirbelströme führenden Leiters 12 und 9 zeigt ein Schnittbild einer Seitenansicht des in den 7 und 8 gezeigten Wirbelströme führenden Leiters 12.
10 zeigt eine isometrische Ansicht der Unterseite eines zweiteiligen Wirbelströme führenden Leiters 12 gemäß einer weiteren Ausgestaltung. Die beiden Teile 60, 62 des Wirbelströme führenden Leiters 12 weisen in Bezug auf die Umfangsrichtung wellenförmige Begrenzungen 80, 82 auf. In radialer Sensorrichtung liegen die Wellenberge des einen Teils 60 des Wirbelströme führenden Leiters 12 den Wellentälern des anderen Teils 62 gegenüber.
Bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Wellenform, insbesondere bei einem sägezahnförmigen Querschnitt des Spaltes in tangentialer Richtung kann eine Abgleichmöglichkeit zur Balancierung der positiven und negativen axialen Flussdichteanteile geschaffen werden, indem die beiden Teile 60, 62 gegeneinander verdreht werden. Die wellenförmigen Begrenzungen 80, 82 weisen hierbei in einer zylindrischen Schnittfläche einen sägezahnförmigen Verlauf auf.
Vorzugsweise weist auch hier das zweite äußere Teil 62 insbesondere im Bereich der Wellenberge Schrägen 84 auf, die in Bezug auf die Detektionsrichtung 26 nach vorn innen geneigt sind. Entsprechend kann das erste innere Teil 60 an seinen Wellenbergen ebenfalls Schrägen 86 aufweisen, die in Bezug auf die Detektionsrichtung 26 nach vorn außen geneigt sind.
Ein Wellenberg in Verbindung mit dem benachbarten Wellental insbesondere des äußeren Teils 62 des elektrischen Leiters 12 bilden die Wirbelströme führenden Bereiche 16a, 16b, die wieder rotationssymmetrisch um die Sensorachse 34 positioniert sind.
11 zeigt eine isometrische Ansicht der Oberseite des in 10 gezeigten Wirbelströme führenden Leiters 12 und 12 zeigt ein Schnittbild des in den 10 und 11 gezeigten Wirbelströme führenden Leiters 12, in welchem die Schrägen 84, 86 deutlich hervortreten.
In 13 ist ein Schnittbild eines zweiteiligen elektrischen Leiters 12 mit Bereichen 16a, 16b, 16c, 16d, die bei Vorhandensein eines Erregerfeldes jeweils einen Wirbelstrom führen, gemäß einer nochmals anderen Ausgestaltung dargestellt. Die wenigstens eine Erregerspule 20 ist in einem Spalt 90 zwischen dem inneren und äußeren Teil 60, 62 des elektrischen Leiters 12 angeordnet.
Die wenigstens eine Erregerspule 20 kann in radialer Richtung betrachtet generell am Übergang zwischen dem inneren ersten und äußeren zweiten Teil (60, 62) des elektrischen Leiters (12) angeordnet sein, sodass die wenigstens eine Erregerspule 20, in Detektionsrichtung 26 gesehen, ebenso vor oder hinter dem Spalt 90 angeordnet sein kann.
Weiterhin kann die wenigstens eine Erregerspule 20 gemäß einer Ausgestaltung bei entsprechender Isolierung sogar innerhalb des elektrischen Leiters 12 angeordnet sein.
Ein weiterer Unterschied liegt darin, dass gemäß dem in 13 gezeigten Ausführungsbeispiel das äußere Teil 62 des elektrischen Leiters 12 in das innere Gehäuse 30 integriert ist. Mit dieser Maßnahme wird die Positionierungstoleranz bei der Fertigung der beiden Bauteile minimiert.
14 zeigt eine isometrische Ansicht der Unterseite des in 13 gezeigten Wirbelströme führenden Leiters 12, die eine vollständige Sicht auf die im Spalt 90 positionierte wenigstens eine Erregerspule 20 freigibt.
15 zeigt eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen induktiven Sensors 10 mit zwei Wirbelströme führenden Leitern 12 sowie drei Sputen 20, 22, 24. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in 1 wiedergegebenen Aufbau, wobei jedoch die beiden Wirbelströme führenden Leiter 12 unterschiedlich ausgestaltet sind. Der zwischen der Erregerspule 20 und der hinteren Detektionsspule 22 angeordnete Wirbelströme führende Leiter 12 ist gemäß der Darstellung in 2 ausgestaltet, während der zwischen der Erregerspule 20 und der vorderen Detektionsspule 24 angeordnete Wirbelströme führende Leiter 12 gemäß der Darstellung in den 10 - 12 ausgestaltet ist.
In 16 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen induktiven Sensors 10 dargestellt, bei dem neben der Erregerspule 20 lediglich eine, in Detektionsrichtung 26 gesehen, vor der Erregerspule 20 positionierte Detektionsspule 24 vorgesehen ist. Der Wirbelströme führende Leiter 12 ist zwischen den beiden Spulen 20, 24 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Wirbelströme führende Leiter 12 gemäß der Darstellung in den 10 - 12 ausgestaltet.

Claims

Als Gradiometer ausgestatteter induktiver Sensor mit einer Spulenanordnung (18), die wenigstens eine Erregerspule (20) und zwei Detektionsspulen (22, 24) enthält, wobei die Spulenanordnung (18) durch eine elektromagnetische Wechselwirkung mit einem zu detektierenden Ziel (40) beeinflussbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein im Erregerfeld der wenigstens einen Erregerspule (20) angeordneter elektrischer Leiter (12) zur Bündelung des magnetischen Flusses des Erregerfelds in Richtung des Ziels (40) vorgesehen ist, der in Umfangsrichtung der Erregerspule (20) wenigstens zwei Bereiche (16a, 16b, 16c, 16d) aufweist, die bei Vorhandensein eines Erregerfelds jeweils einen Wirbelstrom führen, sodass das magnetische Feld Teilbereiche (52) aufweist, in denen das magnetische Feld in Richtung der Sensorachse (34) zeigt und Teilbereiche (54) aufweist, in denen das magnetische Feld entgegen der Sensorachse (34) zeigt, wobei diese Flussdichtekomponenten in Umfangsrichtung des induktiven Sensors (10) abwechselnd entgegengesetzt gerichtet sind.
Induktiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine elektrische Leiter (12) mit den jeweils einen Wirbelstrom führenden Bereichen (16a, 16b, 16c, 16d) in Detektionsrichtung (26) des induktiven Sensors (10) vor der wenigstens einen Erregerspule (20) angeordnet ist.
Induktiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine elektrische Leiter (12) mit den jeweils einen Wirbelstrom führenden Bereichen (16a, 16b, 16c, 16d) in Detektionsrichtung (26) des induktiven Sensors (10) hinter der wenigstens einen Erregerspule (20) angeordnet ist.
Induktiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine elektrische Leiter (12) mit den jeweils einen Wirbelstrom führenden Bereichen (16a, 16b, 16c, 16d) in Detektionsrichtung (26) des induktiven Sensors (10) vor und hinter der wenigstens einen Erregerspule (20) angeordnet sind.
Induktiver Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiter (12) mit den jeweils einen Wirbelstrom führenden Bereichen (16a, 16b, 16c, 16d) unterschiedlich ausgestaltet sind.
Induktiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine elektrische Leiter (12) zweiteilig ausgebildet ist, derart, dass in radialer Richtung des induktiven Sensors (10) ein innerer erster Teil (60) des elektrischen Leiters (12) und ein in radialer Richtung benachbart zum inneren ersten Teil (60) äußerer zweiter Teil (62) des elektrischen Leiters (12) angeordnet ist.
Induktiver Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Erregerspule (20) in radialer Richtung betrachtet am Übergang zwischen dem inneren ersten und äußeren zweiten Teil (60, 62) des elektrischen Leiters (12) angeordnet ist.
Induktiver Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Erregerspule (20) in einem Spalt (90) zwischen den beiden Teilen (60, 62) des elektrischen Leiters (12) angeordnet ist.
Induktiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Erregerspule (20) innerhalb wenigstens eines elektrischen Leiters (12) angeordnet ist.
Induktiver Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere zweite Teil (62) des elektrischen Leiters (12) in Umfangsrichtung mehrere rotationssymmetrisch angeordnete Bereiche (16a, 16b, 16c, 16d) aufweist und dass die Bereiche (16a, 16b, 16c, 16d) gegen die Sensorachse (34) angeschrägt sind, derart, dass die Schrägen (64a, 64b, 64c, 64d) in Detektionsrichtung (26) nach vorn innen geneigt sind.
Induktiver Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Teil (60) des elektrischen Leiters (12) Aussparungen (66a, 66b, 66c, 66d) aufweist, die gegenüber den Bereichen (16a, 16b, 16c, 16d) des äußeren Teils (62) des elektrischen Leiters (12) liegen.
Induktiver Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (66a, 66b, 66c, 66d) in radialer Richtung abgeschrägt sind, derart, dass die Schrägen (68a, 68b, 68c, 68d) mit den Schrägen (64a, 64b, 64c, 64d) des äußeren ersten Teils (62) des elektrischen Leiters (12) korrespondieren und in Detektionsrichtung (26) nach hinten außen angeschrägt sind.
Induktiver Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die tangentialen Begrenzungen der Aussparungen (66a, 66b, 66c, 66d) des inneren Teils (60) in axialer Richtung verkippt sind.
Induktiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (12) einstückig als Scheibe (70) ausgebildet ist und dass mehrere rotationssymmetrisch angeordnete Kanäle (72, 74) in der Scheibe (70) vorgesehen sind, die in einem Radius positioniert sind, der größer als der Radius der Erregerspule (20) ist.
Induktiver Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Kanäle (72) axial in Richtung der Sensorachse (34) vorgesehen sind und dass abwechselnd weitere, in Bezug auf die Sensorachse (34) gekippte Kanäle (74) vorgesehen sind, die auf der Vorderseite in Detektionsrichtung (26) betrachtet in einem Radius beginnen, der größer als der Radius der Erregerspule (20) ist, und auf der Seite der Erregerspule (20) einen Radius aufweisen, der kleiner als der Radius der Erregerspule (20) ist.
Induktiver Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (72) und/oder die axial gekippten Kanäle (74) in tangentialer Richtung gekippt sind.
Induktiver Sensor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Kanäle (72) und/oder der gekippten Kanäle (74) in Detektionsrichtung (26) zunimmt oder abnimmt.
Induktiver Sensor nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen und die gekippten Kanäle (72, 74) ineinander münden und sich schneiden.
Induktiver Sensor nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (72, 74) als Bohrungen realisiert sind.
Induktiver Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (60, 62) des elektrischen Leiters (12) in Umfangsrichtung wellenförmige Begrenzungen (80, 82) aufweisen.
Induktiver Sensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung die Wellenberge des einen Teils (60) des elektrischen Leiters (12) den Wellentälern des anderen Teils (62) des Wirbelströme führenden Leiters (12) gegenüberliegen.
Induktiver Sensor nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenförmigen Begrenzungen (80, 82) in einer zylindrischen Schnittfläche einen sägezahnförmigen Verlauf aufweisen.
Induktiver Sensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenförmigen Begrenzungen (80, 82) gegeneinander verdrehbar ausgestaltet sind.
Induktiver Sensor nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenförmigen Begrenzungen (80, 82) in Detektionsrichtung (26) abgeschrägt sind, derart, dass die Schrägen (84, 86) in Detektionsrichtung (26) nach vorn innen geneigt sind.
Induktiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialdicke (D) des wenigstens einen elektrischen Leiters (12) in Abhängigkeit von der Frequenz des von der Erregerspule (20) erzeugten magnetischen Erregerfeldes festgelegt ist.
Induktiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (18) und/oder der wenigstens eine elektrische Leiter (12) zumindest teilweise mittels einer gedruckten Leiterplatte realisiert ist.
Induktiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Sensor (10) in einem Sensorgehäuse (28) angeordnet ist und dass der wenigstens eine elektrische Leiter (12) in ein das Sensorgehäuse (28) enthaltendes inneres Gehäuse (30) integriert ist.
Induktiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Sensor (10) in einem Sensorgehäuse (28) angeordnet ist und dass das Sensorgehäuse (28) einen elektrisch leitfähigen Schutzdeckel (38) aufweist.