DE1284101B

DE1284101B - Anordnung zur beruehrungslosen Verschiebungsmessung

Info

Publication number: DE1284101B
Application number: DEP40810A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dietrich; Meyer
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1966-11-16
Filing date: 1966-11-16
Publication date: 1968-11-28
Also published as: NL6715340A; FR1550469A; US3479582A; GB1191930A; BE706538A; SE334032B

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur be- Eine mit dem Meßobjekt verbundene Zunge Z aus rührungslosen Verschiebungsmessung, bestehend aus ferromagnetischem Material bewegt sich mit dem

gegenüber einer mit dem Meßobjekt verbundenen mittleren Abstand ^₁ unter den Polschuhen zweier

Zunge aus ferromagnetischem Material angeordneten U-förmiger ferromagnetischer Spulenkerne K₁ und

Polschuhpaaren zweier ferromagnetischer Spulen- 5 K₂, deren Polschuhe nach entgegengesetzten Seiten

kerne, und Mitteln zur Messung der Summe und/oder in der Meßrichtung χ derart geneigt sind, daß sich

Differenz der induktiven Leitwerte auf die Spulen- bei Verschiebung des Meßobjektes um X₁ in Rich-

kerne gewickelter Spulen. tung χ die Luftspalte zwischen dem Spulenkern X₁

Anordnungen dieser Art sind bereits bekannt. und der Zunge Z um α X₁ vergrößern, während sich Diese haben jedoch den Nachteil, daß die Ausgangs- _ϊ0 die Luftspalte zwischen dem Spulenkern K₂ und größe nur dann linear mit der Meßgröße verknüpft der Zunge Z um α X₁ verkleinern. Die Konstante α ist, wenn die Feldverteilung als homogen betrachtet ist dabei abhängig von der Neigung der Polschuhwerden kann. Diese Forderung beschränkt jedoch flächen.

ihre Anwendung auf die Messung kleiner Verschie- Haben die um die beiden Spulenkerne gelegten bungen, wenn nicht der Meßaufnehmer eine große i₅ Spulen L₁ und L₂ die Windungszahl JV, so ergeben Ausdehnung in der zur Richtung der zu messenden sich unter der Annahme, daß der magnetische WiderVerschiebung senkrechten Fläche haben soll. Weiter- stand der magnetischen Kreise lediglich durch die hin gestattet dieses Meßprinzip nur die Messung von Abmessungen der Luftspalte gegeben ist, die Induk-Verschiebungen in einer Koordinate je Meßauf- tivitäten H₁ und H₂ der Spulen L₁ und L₂ zu nehmer. Auch sind diese bekannten Anordnungen 20

nicht frei von durch senkrecht zur Meßrichtung „ _ μ₀ F N² „

erfolgende Bewegungen der Zunge hervorgerufenen ^x 2 (^₁ + α X₁) ' Einflüssen auf das Meßergebnis.

Zweck der Erfindung ist es, einen Aufnehmer zur „ _ μ₀ F N² .„ Verschiebungsmessung zu schaffen, deren Baugröße 25 ² ~~ 2 (y_t — α X₁) ' nicht groß ist im Verhältnis zum Meßbereich. Weiterhin soll dieser Aufnehmer eine Ausgangsgröße, die Die Querschnittsfläche F der Luftspalte ergibt sich der Verschiebung in nur einer Koordinate pro- dabei aus den Wandstärken der Spulenkerne und portional und unabhängig von Verschiebungen in der Zunge Z.

allen anderen Koordinaten ist, sowie eine weitere 30 Aus den Gleichungen (1) und (2) ergeben sich

Ausgangsgröße, die einer Verschiebung nur in einer die Leitwerte B der Spulen

zu dieser Koordinate senkrechten Koordinate pro- j 2

portional und ebenfalls unabhängig von Verschie- B₁ = -—j=~ = CVi + 0X₁), (3)

bungen in allen anderen Koordinaten ist, liefern. J^cotli ]«>μ_οϊ·Ν

Dieses wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, 35 12

daß die der Zunge gegenüberliegenden Polschuh- B₂ — -—~- = fa — α X₁), (4)

flächen derart gegensinnig gegen die Bewegungs- J^c" 2 J^ω ΙΌ

richtung der Zunge geneigt sind, daß sich bei Ver- _SQ _{daß die Differenz der Leitwerte}

Schiebung der Zunge die Luftspaltlangen zwischen

Zunge und Polschuhflächen gleichfalls gegensinnig 40 AB = B-B

ändern. ¹ ²

An Stelle einer durch Formgebung und/oder An- 2

Ordnung der Polschuhpaare erzielten Änderung der ⁼ , ρ ^2 ' 2 ο X₁ == konstant X₁ (5)

Luftspaltlängen läßt sich der gleiche Erfolg jedoch °

auch dadurch erzielen, daß die der Zunge gegen- 45 proportional der Verschiebung in x-Richtung und

überliegenden und in an sich bekannter Weise parallel unabhängig von einer Verschiebung in y-Richtung

zu deren Bewegungsrichtung angeordneten Polschuh- ist, während die Summe der Leitwerte flächen derart gegenläufig keilförmig ausgebildet sind,

daß sich bei Verschiebung der Zunge die Luftspalt- _{R R} _ 2 _ ,

breiten zwischen Zunge und Polschuhflächen gegen- 50 ^{ΰι +} *² ~ j _ω ^t₀F N² ' **^Λ ~ Konstant ^₁ (b) sinnig ändern.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung nur von der Verschiebung in y-Richtung und nicht

erläutert. Darin zeigt von einer Verschiebung in x-Richtung abhängt.

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Meßaufneh- Möglichkeiten, die Differenz bzw. die Summe der

mers gemäß der Erfindung, 55 induktiven Leitwerte zu messen, sind in F i g. 2 und 3

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Meßschaltung angegeben. Die in den Spulen L₁ und L₂ fließenden

mit Stromwandlern, Ströme I₁ und I₂ sind bei konstanter Wechselspan-

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Meßschaltung nung U₀ den induktiven Leitwerten B₁ und B₂ der

mit Summierverstärker, Spulen proportional.

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Meßschaltung 60 F i g. 2 zeigt eine Anordnung, in der beide Spulen L₁

mit gesteuerten Oszillatoren und digitalem Summen- und L₂ an dieselbe Spannungsquelle S angeschlossen

Differenzfrequenzmesser, sind und die Ströme J₁ und i₂ die Primärwicklungen

F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Meß- eines Differenzstromwandlers W₁ durchfließen, so daß

aufnehmers gemäß der Erfindung und dessen Ausgangsstrom I_x der Differenz der Spulen-

F i g. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Meßschaltung 65 ströme Ai = I₁ — i₂ und bei konstanter Wechselin Brückenanordnung. spannung U₀ damit der Differenz der induktiven

Ein Ausführungsbeispiel eines induktiven Ver- Leitwerte AB = B₁ -B₂ proportional ist. Gleich-

schiebungsaufnehmers nach der Erfindung zeigt Fig. 1. zeitig liefert ein zweiter Stromwandler W₂, dessen

3 4

Primärwicklung von dem sich aus den beiden Strö- und K₂, deren Polschuhe in der Meßrichtung χ

men I₁ und i₂ zusammengesetzten Summenstrom nach entgegengesetzten Seiten gleichmäßig breiter

I₀ = I₁ + ^durchflossen wird, einen Ausgangsstrom Ζ,,, werden derart, daß sich bei Verschiebung des Meß-

der der Summe der unduktiven Leitwerte (B₁ + B₂) Objektes um X₁ in Richtung χ die Luftspaltfläche F₁

proportional ist. 5 des Spulenkernes K₁

F i g. 3 zeigt eine weitere Anordnung, in der die F—dih + iix) il 2)
Spulen L₁ und L₂ an eine Gegentaktwechselspannungs- ι — *■ P ι)
quelle S₁, S₂ angeschlossen sind. Die durch die Spulen vergrößert und die Luftspaltfläche F₂ des Spulenfließenden Ströme I₁ und i₂ fließen in den Eingang kernes K₂

eines als Summierverstärker geschalteten Opera- io F = dib — ßx) (13)

tionsve.rstärkers V, dessen Ausgangsspannung U _A der ι \ P ν

Summe der Eingangsströme und damit der Differenz verkleinert,

der induktiven Leitwerte proportional ist: Um die Spulenkerne gewickelte Spulen L₁ und L₂

17, = «„,i, +U = R₀[U₀B₁ + (-U₀)BJ "JL^to Windungszahl» haben dann die Induktivi-

Soll die Summe der induktiven Leitwerte gemessen * 2 y₁

werden, so kann mittels eines nicht gezeichneten

Umschalters die Speisung der Spulen von Gegentakt- _ μ₀Ν² d(b — β X₁)

auf Gleichtaktspeisung umgeschaltet werden, so daß 20 ² ~~ 2 ^₁

U_A = R₀ (fi +J211 = Ro LU₀ B₁ + U₀ B₂] _{Dabei wird angenommen5 daß der} magnetische

- K₀ U₀ (H₁ + ö₂). [S) Widerstand der beiden magnetischen Kreise nur

Wird die Gegentaktquelle durch einen Gegentakt- durch die Abmessungen der Luftspalte bestimmt

übertrager gebildet, dann ist dessen Primärstrom i_P 25 wird,

ein Maß für die Summe der induktiven Leitwerte, da Bei dieser Anordnung ist die relative Differenz

1 TJ

i_p = ü (J₁ - i₂) ü ■ [U₀ B₁ - (-CZ₀) B₂] der Induktivitäten -~ mit

^uU₀(B₁+B₂), (9)

A TT ΓΓ TT . (\fl\

worin ü das übersetzungsverhältnis des Übertragers 30 —12'

bedeutet. H_ges = H₁ + H₂ (17)

Es können also gleichzeitig die Differenz der

induktiven Leitwerte nach Gleichung (7) und die proportional der Verschiebung in Richtung χ und

Summe der induktiven Leitwerte nach Gleichung (9) unabhängig von einer Verschiebung in Richtung y: gemessen werden. 35

Eine weitere. Auswerteschaltung zeigt Fig. 4. Jede ΔΗ _ ß_ _χ __ konstant χ (18)

der beiden Spulen L₁ und L₂ dient als frequenzbe- H_ges b ^{1 1}

stimmendes Element je einer geeigneten Oszillatorschaltung O₁ bzw. O₂ derart, daß deren Frequenzen Gleichzeitig ist der induktive Leitwert der Serien-

40 schaltung beider Induktivitäten

H_{1 B =} ₌ _ ^y-\_jrTr = konstant y,

Und ■ J«>^Hges )ωμ₀Ν^Δάΰ

£ L (H) 45

H₂ und damit nur von einer Verschiebung in Richtung y

sind. und nicht von einer Verschiebung in Richtung χ

abhängig.

Durch Auswertung der Differenz bzw. Summe Eine Möglichkeit, die relative Differenz sowie der Frequenzen Z₁ und f₂, beispielsweise mittels des 50 gleichzeitig den induktiven Leitwert der Summe der Summen-Differenz-Zählers D können jeweils den Meß- Induktivitäten zu messen, zeigt Fig. 6. Eine Gegengrößen X₁ oder ^₁ proportionale Ausgangsgrößen taktspannungsquelle aus den beiden Spannungsquelgewonnen werden. len S₁ und S₂, jeweils mit der konstanten Wechsel-

Neben der in F i g. 1 dargestellten Weise, keil- spannung U₀, und die Serienschaltung der Spulen L₁ för^ige Luftspalte durch entsprechende Bearbeitung 55 und L₂ sind zu einer Brücke zusammengeschaltet, der Polschuhe zu erzielen, besteht die Möglichkeit, Die Spannungsquellen treiben durch die Spulen Spulenkerne mit in x-Richtung konstantem Profil einen von der Summe der Induktivitäten abhängigen zu benutzen und durch entsprechendes Neigen der Strom

beiden Spulenkerne gegeneinander die Luftspalte /₀ = U₀ · B_ges ~ ^₁, (20)

keilförmig auszubilden. 60

An Stelle der Längen der Luftspalte können in der beispielsweise mit einem Strommesser M geeiner in F i g. 5 gezeigten Abwandlung einer An- messen werden kann.

Ordnung nach der Erfindung die Breiten der Luft- Die Diagonalspannung der Brücke Δ U ist der

spalte bei Verschiebung des Meßobjektes geändert relativen Differenz der Induktivitäten proportional: werden. Eine mit dem Meßobjekt verbundene Zunge Z ⁶5

mit der Dicke d aus ferromagnetischem Material 11/ = t/ — ^² 7 II -IJ —^

bewegt sich mit dem Abstand^ unter den Pol- °. H₁^H₂ °~ °' H_ges ^1-

schuhen zweier ferromagnetischer Spulenkerne K₁ (21)

Sie kann beispielsweise mit einem Spannungsmesser M_v gemessen werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur berührungslosen Verschiebungsmessung, bestehend aus gegenüber einer mit dem Meßobjekt verbundenen Zunge aus ferromagnetischem Material angeordneten Polschuhpaaren zweier ferromagnetischer Spulenkerne, und Mitteln zur Messung der Summe und/oder Differenz der induktiven Leitwerte auf die Spulenkerne gewickelter Spulen, dadurch gekennzeichnet, daß die der Zunge (Z) gegenüberliegenden Polschuhflächen derart gegensinnig gegen die Bewegungsrichtung (X) der Zunge (Z) geneigt sind, daß sich bei Verschiebung der Zunge (Z) die Luftspaltlängen zwischen Zunge und Polschuhflächen gegensinnig ändern.

2. Anordnung zur berührungslosen Verschiebungsmessung, bestehend aus gegenüber einer mit dem Meßobjekt verbundenen Zunge aus ferromagnetischem Material angeordneten Polschuhpaaren zweier ferromagnetischer Spulenkerne, und Mitteln zur Messung der Summe und/oder relativen Differenz der Induktivitäten auf die Spulenkerne gewickelter Spulen, dadurch gekennzeichnet, daß die der Zunge (Z) gegenüberliegenden und in an sich bekannter Weise parallel zu deren Bewegungsrichtung (X) angeordneten Polschuhfiächen derart gegenläufig keilförmig ausgebildet sind, daß sich bei Verschiebung der Zunge die Luftspaltbreiten zwischen Zunge und Polschuhfiächen gegensinnig ändern.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des der Summe der induktiven Leitwerte proportionalen Stromes (i₀), der sich aus den Einzelströmen (J₁, i₂) durch die an eine gemeinsame Spannungsquelle (S) .mit einer konstanten Wechselspannung parallel angeschlossenen Spulen (L₁, L₂) zusammensetzt, ein über einen Stromwandler (W₂) angeschlossener erster Strommesser (I₁) vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der der Differenz der induktiven Leitwerte proportionalen Differenz der Ströme (i_lt i₂) durch die an eine gemeinsame Spannungsquelle (S) mit einer konstanten Wechselspannung parallel angeschlossenen Spulen (L₁, L₂) ein über einen Differenzstromwandler (W₁) angeschlossener zweiter Strommesser (L₂) vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme (i_l5 i₂) aus den beiden an dieselbe Wechselspannungsquelle (S₁) angeschlossenen Spulen (L₁, L₂) in den Summenpunkt eines gegengekoppelten Operationsverstärkers (F) fließen, dessen der Summe der Ströme (J₁, i₂) und damit der Summe der induktiven Leitwerte proportionale Ausgangsspannung (Ua) gemessen wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme (Z₁, i₂) aus den beiden an eine GegentaktwechselspannungsquelleiS^ S₂) angeschlossenen Spulen (L₁₅L₂) in den Summenpunkt eines gegengekoppelten Operationsverstärkers (V) fließen, dessen der Summe der Ströme (Z₁, i₂) und damit der Differenz der induktiven Leitwerte proportionale Ausgangsspannung (U _A) gemessen wird.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegentaktspannudgsquelle (S₁, S₂) ein Gegentaktübertrager ist und der der Summe der induktiven Leitwerte proportionale Primärstrom des Übertragers gemessen wird.

8. Anordnung nach Ansprueh 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Spulen (L₁, L₂) je einen Oszillator (O₁, O₂) derart steuert, daß deren Frequenzen den Kehrwerten der Induktivitäten proportional sind und x_r bzw. ^-proportionale Ausgangsgrößen durch Supimen- oder Differenzbildung der Frequenzen, beispielsweise in einem Summen-Differenz-Zähler (D) gewonnen werden.

9. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung der beiden Spulen (L₁, L₂) zusammen mit einer Gegentaktspannungsquelle (S₁, S₂) eine Brückenschaltung bildet und als Maß für die relative Differenz der Induktivitäten die Spannung (J U) zwischen dem Mittelpunkt der Gegentaktspannungsquelle (S^S₂) und dem Verbindungspunkt der beiden Spulen (L₁, L₂) sowie als Maß für die Summe der Induktivitäten der Strom (/„) durch die Serienschaltung der Spulen gemessen wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen