DE2025734A1 - - Google Patents

Description

Patentanwalt

Vibro-Meter AG, Freiburg (Schweiz)·

Messwertwandler.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messwertwandler, mit mindestens einer in einem Wechselstrom-Messkreis liegenden Messspule, auf die vom Messwert abhängige, durch das Spulenfeld induzierte Wirbels trö'me rückwirken.

Solche Wandler oder Geber werden in neuerer Zeit in stets steigendem Masse verwendet, wo die gewünschte Aenderung einer elektrischen Eigenschaft durch Interaktion des Spulensystems mit· einem Bauelement, in dem sich Wirbelströme ausbilden können, erzielt; wird. Dieseu Bauelement muss leitend, jedoch nicht ferromagnetisch sein.

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Das Prinzip dieser Geber beruht darin, dass man im magnetischen Feld der Spule ein Konstruktionselement aus einem leitenden Medium anordnet. In diesem Medium werden ¥irbelströme induziert, die ihrerseits ein Gegenfeld aufbauen, das auf die Spule rückwirkt und somit eine Aeriderung ihrer elektrischen Eigenschaften verursacht. Diese Art Messwertwandler bezeichnet man zweckmässigerweise als Wirbelstromgeber.

k Sowohl bei den klassischen induktiven, als auch bei den

Wirbelstromgebern weist das Messspulensystem eine nicht zu vernachlässigende ohmsche Komponente auf. Das bedeutet, dass man bei den gebräuchlichen Schaltungen, die meist eine Brückenschaltung oder eine symmetrische Spannungsteileranordnung darstellen, sowohl die imaginäre (induktive), als auch die reelle (ohmsche) Komponente der Impedanz des Messspulensystems abgleichen muss. Eine weitere, physikalisch bedingte Eigenschaft dieser Geber ist die Tempera turabhängigk ei b der Impedanz, die sich auf beide Komponenten erstreckt und die dadurch hervorgerufen wird, dass Permeabilität und Leitfähigkeit der benutzten Werkstoffe temperaturabhängig sind. Bei den ferromagnetische Werkstoffen ist die Temperaturabhängigkeit ihrer Eigenschaften sogar relativ stark. Will man diese Temperaturabhängigkeit durch geeignete" Massnahmen kompensierer , muss sich eine exakte Kompensation grundsätzlich auf beide Komponenten der Impedanz erstrecken» Dann werden die Verhältnisse oft £??hr kompliziert und eine gut wirksame Kompensation stösst auf _L-.-.osse technische Mühwierigkeiten» Darin ist ein Grund zu suchen, aass induktive Geber, wo wir jetzt die Wirbelstromgeber mit einV-^sieben müssen, uffc alπ ^u temperaturempfindlich für Prasi

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gen abgelehnt werden '/siehe z.B. Ch. Rohrbach, Handbueh für elektrisches Messen mechanischer Grossen, Düsseldorf 1967, Seite 451, Abschnitt G2.3.3.1, sowie Seite 176 - Allgemeine Beurteilung/.

Erfindungsgemäss wird nun angestrebt, Messwandler auf Basis des Wirbelstromprinzips so auszulegen, dass die Impedanz eine stark überwiegende ohmsche Komponente aufweist, dass für die praktische Anwendung die induktive Komponente vernachlässigt werden kann. Der Geber hat dann den Charakter eines ohmschen Schaltelementes. Das hat zur Folge, dass der Abgleich in Brücken- und symmetrischen Spannungsteileranordnungen einfacher ist und, was als hervorstechendstes Merkmal anzusehen ist, eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit wesentlich einfacher durchzuführen ist. In vielen Fällen ergibt sich eine erheblich einfachere Konstruktion des Gebers. Auch ein Abgleich auf identische Empfindlichkeit ist mittels Widerständen einfach möglich. Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Vorteil ist der, dass man durch geeignete Materialauswahl ganz generell ein besseres Temperaturverhalten als bei den klassischen Gebern erreichen kann, wodurch die Kompensationsmassnahmen noch mehr vereinfacht werden. Gemäss der Erfindung erreicht man dieses. Ziel dadurch, dass mit der Messspule ein Leiter unveränderbar¹ gekoppelt ist und durch die in ihm induzierten Sekundär-Ströme die induktive Komponente der Spulenimpedanz herabsetzt, und dass ein nur in Bezug auf die ohm'sche Komponente der Spulenimpedanz abgleichbarer Messkreis vorgesehen ist.

Es wird unten nachgewiesen, dass durch die Koppelung, und 009850/1483.

zwar vorzugsweise enge Koppelung der Messspule mit einem Leiter " in der Weise, dass im Leiter Wirbelströme induziert werden, die auf die Spule zurückwirken und ihr Feld schwächen, eine Herabsetzung der induktiven und eine Erhöhung der ohm'sehen Komponente der .Spulenimpedanz erzielt wird. Durch geeignete Bemessung der Anordnung kann hierbei erreicht werden, dass die induktive Komponente der Messspulenimpedanz im Vergleich mit der ohm¹sehen Komponente so gering ausfällt, dass die Impedanz praktisch rein ohmisch wirkt und jedenfalls Aenderungen der induktiven Komponente, z.B. infolge Temperaturschwankungen, nicht mehr ins Gewicht fallen. Vorzugsweise wird der mit der Spule unveränderlich gekoppelte Leiter als Kurzschlussleiter oder Abschirmung, z.B. als ein die Messspule umgebendes Rohr bzw. als leitender Spulenkörper ausgebildet, doch ißt es auch möglich, al;> Loiter eine zweite Spule vorzusehen, die mit der Messspule trau ,<3 forma tori sch gekoppelt und mit einem Widerstand belastet ist. _;

Weitere EinzG.lhe.iten der Erfindung sind der folgenden Befichreibung zu entnehmen, zu d. : die Abb. 1- bis 10 gehören. Es Γ,θ-igt ' .

Fig. 1 den physikalischen Mechanismus der Interaktion der Gegenfelder, hervorgerufen durch Wirbelströme, die durch das ursprüngliche Magnetfeld der Spule in zx^ei leitenden Medien ausgelöst werd en,

1^Γ5/ί· 2 eine vereinfachte Illustration zur Erläuterung des "Aböchlrin-

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effektes", aus der die Arbeitsweise der nach diesem Prinzip aufgebauten Messwandler ersichtlich ist,

Fig. 3 das Prinzip der Realisierung der Anordnung nebst Massnahmen zur Kompensation der Temperaturempfindlichkeit,

Fig. 4 die Einschaltung der Messspule und der Kompensationswiderstände in eine Brückenschaltung,

Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau eines flachen Gebers für langwegmessungen,

Fig. 6 einen aus dieser Form abgeleiteten Drehwinkelgeber,

Fig. γ einen aus der Form nach Fig. 5 hervorgehenden Messwertaufnehmer für sehr kleine Verschiebungen,

Fig. 8 den prinzipiellen Aufbau eines symmetrischen Tauchankergebers zur Messung mittlerer Verschiebungswege,

Fig. 9 die entsprechende Form eines asymmetrischen Tauchankergebers, der zur Messung grosser Verschiebungswege geeignet ist,

Fig. ίο die Umkehrung des in Fig. 9 dargestellten Prinzips der Wegmessung, die ebenfalls als ro.tationssymmetrische Realisierung der in Fig» 5 dargestellten flachen Bauweise aufgefasst werden kann. Fig. 11 eine massstäbliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels und

ο -

Fig. 12 ein Schaltschema zur Fig. 11.

o Eine Abschirmung beeinflusst die Impe'danz einer Spule. Das mag- ^ netische Feld der Spule löst In der Abschirmung Wirbelströme aus, die .34 ihreroeitß wiederum ein Magnetfeld, aufbauen, ein Gegenfeld,

das auf das erregende abschwächend einwirkt, eine physikalische Tatsache, die durch das Lenz'sehe Gesetz ausgedrückt wird. Die Induktivität der Spule wird also durch die Abschirmung verkleinert. Es ist allerdings zu bemerken, dass bei Abschirmungen aus einem· ferromagnetischen Material der entgegengesetzte Effekt infolge der Permeabilität des Schirmmaterials, die sich auf die Feldausbildung um die Messspule auswirkt, eintreten kann. Da das für die Abschir-P mung benutzte Material einen bestimmten Widerstand aufweist, verursachen die Wirbelströme nach dem Joule'sehen Gesetz einen Energieverlust, der sich dahingehend auswirken muss, dass sich die ohmsche Komponente der Impedanz der Messspule vergrössert.

Man kann die Verhältnisse sehr anschaulich und einfach qualitativ auf folgende Weise darstellen: -Die Anordnung einer Spule, die mit einem Schirmzylinder umgeben ist, bzw. allgemein ausgedrückt, die Anordnung einer Spule, in derein Magnetfeld sich ein leitendes Medium k befindet, entspricht dem Aufbau eines Transformators. Die Belastung dieses Transformators bildet der Eigenwiderstand des leitenden Mediums. Das leitende Medium kann man als die mit der Spule, die eine Primärwicklung darstellt, verkoppelte Sekundärwicklung ansehen. Dann kann man den gesetzmässigen Zusammenhang zwischen Belastung and Rückwirkung durch die Transformatorgleichungen ausdrücken.

Für die Eingangsimpedanz der Spule gilt die Besiehung

2 2
CtTM

00985Ö/UÖ3.

, R₉ = R₀ H- j α; L₉ , M — k

En bedeuten L,, L_? ... die Induktivitäten von Spule und dem

leitenden Medium

R,; Rp ... die Wirkkomponente der Spule und der Eigenwiderstand des leitenden Mediums

k ... der Kopplungsfaktor zwischen i3pule und leitendem Medium

Nach einer einfachen Rechnung ergibt sich aus der Formel (l) der Ausdruck

7Ϊ R2 Ii L₁

X H- ———

Aus d(?m Ausdruck (2) kann man deutlieh die Verkleinerung der Induktivität und A'nrgrcßserung der ohmschen Komponente erkennen, ferner ist i'lar ei ni chtlich, dass man durch eine geeignete geometrische Anonlnu] ;, soi J (? durch eine Bwecliinä.sfnge ¥ahl der Werk stoffe die Vcj'änderung dor öl e-fttri seilen EigenschaJ ten der .Spule crhehlich heto]]on kann, sodasß es naheliegend ei^sclieJiit, die Verhältnisse so zu gestalten, dass der Wert der induktive« 1-omponente gegenüber dem der ohmscheij Komponente vernachlässigbar klein wird.

Erfindungsgemäea l>f:finden fjich im magnetischen Feld der Spule

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zwei leitende Medien, deren gegenseitige Lage durch die zu messende Grosse verändert wird.· Es tritt dann für die theoretische Betrachtung der Fall einer "Do.ppelabschirmung" ein. Die Interaktion .zwischen diesen beiden Medien kann man auf folgende Weise illustrieren - siehe dazu Fig. 1: Im Magnetfeld einer Spule, mathematisch ausgedrückt durch einen magnetischen Dipol, befinden sich die Medien 1 und 2, die in Interaktion treten. Das durch die Spule hervorgerufene Magnetfeld erzeugt durch ¥irbelstrombildung im Medium 1 ein Rückwirkungsfeld, dessen Intensität durch einen sog. "Rückwirkungsfaktor" W., ausgedruckt,werden soll. Der Index i soll besagen, dass es sich um eine Rückwirkung nach "innen" handelt, wobei wir als Innenseite die der Spule zugekehrte Seite auffassen wollen. Es wird also an der inneren Fläche des Medium 1 ein Teil des Feldes "reflektiert". Ein Teil des Feldes dringt durch das Medium 1 hindurch und wird dabei um den sog. "Schirmfaktor" Q-, geschwächt, wobei es die Gestalt des ursprünglichen Feldes beibehält. Das Restfeld trifft auf das Medium 2, wo wieder ein Teil re- ' flektiert wird, was der Rückwirkungsfaktor W.₂ ausdrucken soll. Der übrige Teil durchdringt das Medium 2, geschwächt durch den Schirmfaktor Qp. Das an der Innenwand des Medium 2 reflektierte Feld trifft auf die Aussenwand des Medium 1, wobei wieder ein Teil durch das Medium 1 hindurchgeht, ein Teil reflektiert wird und zur Innenseite des Medium 2 zurückgelangt. So wiederholt sich immer das gleiche

Spiel« Setzt man als erregendes Feld ein Dipolfeld ©n - und das ο · ....'.

to kann man in den meisten Fällen - sind alle von innen ameh aussen oo , - · ■

*" strebenden Felde? Dipolfeuer _s und die nach innen geriehtoten FeI-

■^ .der sind homogen» Die nach aueien reflektierten Anttil© werden «» durch einen sog» "äusser@n IMotoiiiörngsfaktor" d®fiaitx-t„ d©r durch

'■,' ^: ;■■.■ ■■*■ ■ 9 - ■■ ■

den Index a gekennzeichnet ist. Die mathematische Behandlung des eben geschilderten Vorganges führt für den sich ergebenden inneren Rückwirkungsfaktor der durch die beiden Medien gebildeten Anordnung zu dem Ausdruck "

Wi gesamt = W₁₁ + W₂ ,z—f- u~

XJ. id J- - w_i2 · "a

Worin bedeuten:

Q₁ ... Schirmfaktor des Medium 1

W. ₁, W. ρ · · · innere Rückwirkungsf aktoren der Medien 1 und 2

W , ... äusserer Eückwirkungsfaktor des Medium 1

Da die Rückwirkungsfaktoren der beiden Medien 1 und 2 von ihrer Orientierung zur Spule, also anders ausgedrückt, von der Geometrie der Anordnung abhängen, muss zwangsläufig eine gegenseitige Verschiebung der beiden Medien eine Aenderung des Gesamtrückwirkungsfaktors bedeuten und damit ebenfalls eine Aenderung der Impedanz der Spule. Erfindungsgemäss wird angestrebt, dass durch eine zweckentsprechende Wahl der Abmessungen die induktive Komponente der Impedanz gegenüber der resistiven Komponente vernachlässigbar ist, was im wesentlichen durch das Medium 1 erreicht

' i

wird, das bei der technischen Ausführung der Messwandler als Schutzhülle der Spule ausgebildet werden kann. Das Medium 2 verursacht dann in der Regel praktisch nur eine Aenderung des Wertes der reeistiven Komponente in dem Sinne, dass diese bei zunehmendem Messweit kleiner wird. Man kann die Verhältnisse sehr anschaulich noch

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auf folgende Weise erläutern - siehe Fig. 2: Eine Messspule 3 soll die. Länge 1 haben. Die Abschirmung 4 wird durch ein Medium gebildet, das über die Länge 1 - λ eine bestimmte Dicke d, hat und über die restliche Länge die Dicke d„. Die Widerstandszunahme der Spulenimpedanz soll pro Längeneinheit für die Dicke d., den Wert Δ R-, und für die Dicke dp den Wert ARp aufweisen. Dann kann man approximativ für die Gesamtwiderstandszunahme Δ R den Ausdruck

AR=AH₁(I-A) + AR₂-I - λ ( Δ R₁ - Δ R₂) (4)

ansetzen. Die Widerstandszunahme ist eine lineare Funktion der Län gen λ und 1 - λ .

Es erhebt sich nun die Frage der Temperaturkompensation der Anordnung. Im wesentlichen wird die Temperaturabhängigkeit der Impedanz des Gebers durch folgende Ursachen hervorgerufen?

1. Temperaturabhängigkeit des Leitwertes des Medium 1,

2. Temperaturabhängigkeit des Leitwertes des Medium 2,

3. Temperaturabhängigkeit des ohmschen Widerstandes der Spulenwicklung, also des Drahtwiderstandes $

4. bei Verwendung einer Eisenkernspule durch Temperaturabhängigkeit der Permeabilität und des Leitwertes des Kernwerkstoffes.

Da der spezifische Widerstand metallischer Medien mit steigender Temperatur zunimmt, äuesert sich die Temperaturabhängigkeit des Messspulensystems in dem Sinne„ dass der. Wert der ohmschen Korn ponente mit der Temperatur zunimmt„ Eine Kompensation wird dann in der Weise durchgeführt,, dass man an geeigneten Stellen an den Me-

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■ -. Ii -

dien 1 und 2, sowie am Kern der Spule, falls ein solcher "benutzt . wird, temperaturabhängige Widerstände anbringt, die in entsprechender Weise in die Schaltung eingefügt werden, wie an einem in Pig. 3 schematisch dargestellten Beispiel erklärt werden soll. Ein Messwertaufnehmer besteht aus einer Spule 3 mit einem ferromagnetischen Kern .5. Im Magnetfeld dieses Spulensystems sind die beiden Medien 1 und 2 angeordnet, deren gegenseitige lage durch die zu messende G-rösse beeinflusst wird,- was dadurch ausgedrückt werden soll, dass sich das Medium 2 gegenüber dem Medium 1 in Pfeilrichtung verschieben kann. Es handelt sich also um eine Wegmessung, wobei die Verschiebung.beispielsweise durch Einfluss einer Kraft auf einen Kraftmessbüg^l verursacht wird. Die Verhältnisse, die bei einer technischen Ausführung im wesentlichen von der Geometrie der Anordnung und den benutzten Werkstoffen abhängen, werden so gewählt, dass man die induktive Komponente gegenüber der ohmschen vernachlässigen kann, äodass der Messwertaufnehmer also ein Ohm'sches Element darstellt. Mit zunehmender Temperatur steigt der Widerstand des Gebers, der zwischen den Klemmen 6 und 7 gemessen wird. Zur Kompensation bringt man nun am Kern 5 und an den Medien 1 und 2 die temperaturabhängigen Widerstände .8, 9 und 10 mit den Anschlüssen 11 - 12, 13 - 14 und 15 - 16 an, die man beispielsweise mit Nickeldraht auf Kunststofffolien wickelt und direkt auf die Elemente 1, 2 und 5 aufklebt. Es ist nun noch zu beachten, dass sich die Temperaturabhängigkeit ebenfalls auf die Empfindlichkeit des Gebers erstreckt, wobei unter Empfindlichkeit das Verhältnis der maximalen Widerstandsänderung des Systeme zur maximalen gegenseitigen Po-

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sitionsänderung der beiden Medien 1 und 2, hervorgerufen durch die zu messende Grosse, verstanden werden soll. In der Regel wird die Empfindlichkeit mit zunehmender Temperatur kleiner und zwar üblicherweise in Abhängigkeit von der Temperatur des Medium 2, also bildlich gesprochen, in Abhängigkeit von der Temperatur des "äusseren" Medium. Man wählt dann zweckmässigerweise zur Kompensation einen Widerstand mit negativem Temperaturbeiwert (ITTC-Widerstand), der im entsprechenden Sinne in die elektrische Anordnung eingeschaltet wird. In Eig. 4 ist ein bewährtes Schaltbeispiel dargestellt. Die Messspule 3 und der Kondensator 17 bilden einen Zweig, die Schaltelemente 8, 9, 18 und 27 den zweiten Zweig eines Brückenarmes. Der zweite Brückenarm wird durch die Widerstände 19 und· 20 gebildet. Laut Grundgedanken der Erfindung ist die induktive Komponente der Messspule vernachlässigbar klein gegenüber der ohmschen Komponente /ca 10 bis 20 mal/. Sollte aus irgendwelchen Gründen eine weitere Unterdrückung der induktiven Komponente.wünschenswert erscheinen, kann dies durch den Hilfskondensator 17, dessen Wert in keiner Weise kritisch ist, erreicht werden. Die Widerstände 8 und 9 sind die KompensationSyWiderstände. Um den gewünschten Wert des Widerstandes des zweiten Brückenzweiges zu erreichen«, wird noch der Widerstand 18 zugeschaltet. Die Werte dieser Widerstände sind so gewählt, dass äich der gewünschte Temperaturkoeffizient des zweiten Brückenssweiges ergibt, der gleich dem des Messspulensystems sein muss» Das lessspulensystem besitzt eine gewisse■Kapazität. gegen Erde, di© im aweiten Brückenzweig durch den Zusatsktmdensator 27■ ~&usgegl±eh©a -ifird₀ Der die Kompensation ö©r tempoJratmrabliMa

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kompensierende, am Medium 2 "befestigte Widerstand 10 ist zusammen mit den zur Einstellung des erforderlichen Temperaturkoeffizienten dienenden Hilfswiderständen 21 und 22 in die Speisung der Brückenschaltung, die an den Hemmen 23 und 24 angeschlossen wird, eingeschaltet. Das Messsignal wird an den Klemmen 25 und 26 abgenommen.

Die Temperaturunabhängigkeit des Wicklungswiderstandes der Spule 3 kann man durch Verwendung eines Widerstandsdrahtes erreichen. In Fig. 5 ist eine Ausführungsform eines Gebers zur Messung ■grösserer Verschiebungen bis zu einigen Dezimetern dargestellt. Der Geber ist in Flachbauweise ausgeführt. Sein Gehäuse stellt das Medium 1 dar. Durch Verschiebung in Pfeilrichtung kommt er mehr oder weniger zur Deckung mit dem Medium 2, das durch einen Maschinenteil dargestellt werden kann. Der Geber kann beispielsweise in eine. Spalte eingeschoben werden. Der Abstand d der beiden Medien ist konstant. Die Spule 3 ist auf einen ferromagnetischen Flachkern 5 gewickelt. Man benutzt hier zweckmässig einen Werkstoff auf Ferritbasis, der sich durch einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Permeabilität (grÖBsenordnungsmässig ca. 10" ... 10 ) und einen hohen spezifisehen Widerstand (grössenordnungsmässig ca. 10 0hm. cm) auszeichnet. In diesem Fall ist die Temperaturabhängigkeit, die durch den Kern verursacht wird, praktisch vernaohlässigbar. Für das Medium 1, 'das die Hülle des Gebers darstellt, wird man ein nichtmagnetisches Material mit möglichst hohem spezifischem Widerstand und kleinem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes wählen /grössenordnungsmäeBig 10/, wie beispielsweise eine Ni-Cr-Fe-Iegierung, wie sie häufig im chemischen Apparatebau Verwendung findet. In vielen Fäl-

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len erübrigt sich jetzt auch hier eine Kompensation. Wenn durch das

Medium 2 eine Temperaturabhängigkeit verursacht wird, muss an einer geeigneten Stelle der Widerstand 10 angebracht werden, der entsprechend der Fig. 4 in die elektrische Anordnung eingeschaltet wird.

In Fig. 6 wird ein Messwertwandler für Drehbewegungen dargestellt, der direkt aus dem Flachgeber in Fig. 5 hervorgeht. Die mit Widerstandsdraht auf einen ferromagnetischen Kern gewickelte, segmentförmig .'gebogene Spule befindet sich innerhalb eines, das Medium 1 darstellenden Gehäuses. Vor dieses Gehäuse wird das segmentförmige Medium 2 geschoben, das um eine Achse 32 drehbar gelagert ist.

Eine weitere Variante, die aus dem in Fig. 5 dargestellten Prinzip eines Flachgebers hervorgeht, ist in Fig. 7 dargestellt. Diese Anordnung ist zur Messung von kleinen und kleinsten Verschiebungen geeignet. Die Spule 3 ist als Flachspule um einen ferromagnetischen Kern 5 ausgeführt und ganz in das Medium "1, das gleichzeitig zur Hai-" terung des Gebers dient, eingekapselt, Diese Messsonde kann in Pfeilrichtung eine relative Bewegung zu dem Medium 2 ausführen, wobei sich der Abstand d der wirksamen Oberfläche 28 der Messsonde von der Oberfläche 29 des Medium 2 ändert. Eine fallweise Kompensation der temperaturabhängigen Bmpfindlichkeitsänderung wird durch den Widerstand 10 bewirkt.

Wie aus den Fig. 8 und 9 ersichtlich ist, können ebenfalls Geber in der Art der klassischen Tauchankergeber erstellt werden. Abb- 8 stellt einen Differentialgeber zur Messung mittlerer Verschiebungen bis zu einigen Millimetern dar. Das Medium 1 wird als Spulenkörper

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ausgebildet, auf den die beiden symmetrisch angeordneten Spulen 3 aus Widerstandsdraht aufgewickelt werden. Das Medium 2 ist der verschiebbare Kern mit den Zugstangen 30 und 31. Für beide Medien wird man dasselbe Material mit hohem spezifischem Widerstand und kleinem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes verwenden. Fig. 9 zeigt die asymmetrische Variante dieses Gebers, die für längere Wege benutzt werden kann. Wiederum ist auf das als Spulenträger dienende Medium 1 eine Spule 3 aus Widerstandsdraht aufgewickelt. In dieses Spulensystem taucht das Medium 2, das aus demselben Material besteht, ein. Dieser Geber ist eine direkte technische Realisierung des in Fig. 2 dargestellten vereinfachten "Abschirmprinzips". Der Geber ist vorleiner ferromagnetischen Hülle 5 umgeben.

Gibt man dem in Fig. 5 dargestellten Flachgeber eine rotationssymmetrische Form, entsteht eine Variante, wie in Fig. 10 dargestellt ist. Auf einem ferromagnetischen Kern 5 befindet sich eine mit Widerstandsdraht gewickelte Spule 3· Dieses Spulensystem wird von dem Medium 1 umschlossen und taucht in das Medium 2 ein. Für eine fallweise notwendige Korrektur der durch das.Medium 2·hervorgerufenen Temperaturabhängigkeit ist der Widerstand 10 vorgesehen.

Es hat sich gezeigt, dass mit besonderem Vorteil der Leiter 1 ms Material niedriger Leitfähigkeit, z.B. Konstanten, und der Leiter 2 aus Material hoher Leitfähigkeit, z.B. Cu oder Al hergestellt wird. Ist, wie im Falle der Fig. 10 in einem "bestimmten Maschinenteil eine Bohrung vorgesehen, in welche die Messspule eindringt, kann diese Bohrung gegebenenfaiBs mit einem gut leitenden Mantel ausgekleidet

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werden.

Praktische Versuche haben z.B. ergeben, dass eine Spule, die ohne Beeinflussung durch die Leiter 1 und 2 eine ohm'sche und induktive Impedanzkomponente von je etwa 100 Ohm aufweist, nach dem Inbringen des Leiters 1 eine ohm'sche Komponente von rund 1000 Ohm und eine induktive Komponente der Impedanz von rund 40-50 0hm aufwies. Je nach Lage des Leiters 2 fiel die ohm'sche Komponente bis auf rund 900 0hm ab.

Fig. 11 und 12 zeigen ein praktisches Ausführungsbeispiel. Entsprechende Teile sind gleich bezeichnet wie in den Fig. 1 - Io. Die. Messspule 5 befindet sich auf einem Rohr 40 aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit einem Aussendurchmesser von 14 mm. In diesem Rohr sind ferromagnetische Kerne 5 eingeklebt. Auf dem Rohr 40 befinden sich Distanzringe 41 und 42 zwischen welchen die Spule 3 aus Widerstandsdraht in einer Lage gewickelt ist. Die Distanzringe 41 und 42 dienen zugleich der Befestigung der Wicklungsenden.

Die Messspule befindet sich in einem vorne dicht geschlossenen Rohr 1 aus Inconel Alloy 600, einer nichtmagnetischen Legierung mit 76 % Ni, 15 % Cr und 8 i° Fe, der Firma H. Wiggin & Co., Ltd., Hereford, England. Das Rohr hat einen Aussendurchmesser von 20 mm und eine Wandstärke von Im. Es gewährleistet einerseits einen guten mechanischen Schutz der Messspule und stellt anderseits die erste Abschirmung der Messspule dar. Der Werkstoff des 'Bohree soll einen möglichst hohen spezifischen Widerstand und einen "mögl-ie&st geringen Temperaturkoeffissienten aufweisen, Mr die erwähnt© legierung beträgt der spezifische Widerstand. 103.10""⁶ IL cm.und der Xempevaturkoeffi-

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zient I3.IO . Das Rohr"1 ist in dem Geberhals 43 hart eingelötet, der in den Geberkopf 44 ausläuft. Die Teile 43 und 44 können aus gut bearbeitbarem, nichtrostendem, unmagnetischem Stahl bestehen. Im Geberkopf sind auf einer Montageplatte 45 weitere zur Ausbildung einer Halbbrücke gemäss Fig. 12 erforderliche Elemente angeordnet. Der Montageraum des Geberkopfes ist durch einen Deckel 46 abgeschlossen. Er weist ferner einen Anschlussstecker 47 auf.

Das Rohr 40 ist mittels eines Stiftes 48 an einem Stopfen 49 befestigt, dessen Plansch zwischen dem Rohr 1 und einem Gewindering 50 festgeklemmt ist. Der Raum zwischen Spule 3 und Rohr 1 sowie der Hohlraum des Geberkopfes 44 sind z.B. mit einem elastischen Araldit Kunstharz vergossen. Der Abschlussdeckel 51 des Rohres 1 besteht ebenfalls aus Inconel Alloy 600 und ist mit dem Roh/ 1 verschweisst.

Die physikalischen Eigenschaften der Kerne 5 sollen möglichst temperaturunabhängig sein, weshalb Ferroxcube 4Bl verwendet wird, das folgende Werte aufweist;

Anfangspermeabilität bei 20° C: 250

TK der Anfangspermeabilität: *Θ.1Ο Spezifischer Widerstand ί SsIO^ Λ cm

Curiepunktί =250°C.

Da es sehr wichtig ist, dass der Gleichstromwiderstand der Messspule 3 seinen Wert bei Temperaturänderungen möglichst wenig verändert, wird ale Drahtmaterial Manganin mit einem Durchmesser von 0,2 mm verwendet, das einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes von nur 1.ΪΟ""⁵ aufweist. Da eine möglichst geringe Güte dieser Messspule angestrebt wird, ist der hohe spezifische Widerstand des Manganindrahtes von 420.10"" XL cm von Vorteil.

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- 3.8 -

Die Messspule 3 hat folgende elektrische Werte, die bei einer Betriebsfrequenz vpn 8 kHz gemessen wurden:

Induktiver Widerstand (imaginäre Komponente) :| Rj = 32 Λ Ohmscher Widerstand (reelle Komponente): R = 480X2

Die Güte der Spule, Q = -—5— ist also äusserst gering.

Jt

Man bezeichnet derartige Anordnungen als quasiohmische Elemente. Als Grenzwert kann man festlegen, dass stets Q<0,l sein muss, um das k gewünschte Resultat zu erzielen, wobei es gleichgültig ist, welche Zahlenwerte die beiden Komponenten annehmen. Man kann also ebenso gut hochohmige als auch niederohmige quasiohmische Elemente erstellen.

Führt man den Geber in einen Körper mit einer Messbohrung (Messkörper) ein, so bildet dieser Körper eine zweite Abschirmung. Da das magnetische Feld der Spule durch das Schutzrohr selbstverständlich nicht absorbiert werden darf, tritt nun eine Interaktion zwischen den Abschirmungen und der Spule ein, die sowohl deren reelle als auch imaginäre Komponenten max. um ca. 20 $ der ursprünglichen Werte, d.h. der Werte ohne Einwirkung des Messkörpers ändert. Bei dem ursprünglichen Werte, d.h. der Werte ohne· Einwirkung des Messkörpers ändert. Bei dem beschriebenen Modell tritt eine Verkleinerung der reellen Komponente um ca. 18 fo und eine Vergrösserung der imaginären Komponente bis auf einen Wert, der kleiner als 10 % des ursprünglichen Wertes der reellen Komponente ist, ein.

Bei Erstellung dieses Gebers muss beachtet werden, dass:

1. Die Wicklung der Messspule möglichst nahe der Rohrwandung zu liegen kommt, um die GUte möglichst stark" herabzusetzen. Die Güte der Spule Q = -jf*- soll den Wert Q= 0,1 nicht überschreiten.

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- .39 -

2. Die Wandstärke des Rohres 1 das 1 - 3 fache der sog. äquivalenten Leitschichtdicke ςΓ für das benutzte Material beträgt, wobei jetzt , ^J

.JL ΓΖ

^ = Ii

f - Frequenz in kHz ρ

mm
f - Spez. Widerstand in -ß. -——

'— - relative Permeabilität.

Das Material des Rohres soll einen möglichst hohen spezifischen Widerstand mit kleinem Temperaturkoeffizienten aufweisen und darf nicht magnetisch sein, damit die äpuivalente Leitschichtdicke nicht zu klein ist.

3. Als Messkörpermaterial ein Werkstoff mit geringem spezifischen Widerstand benutzt werden soll, um eine möglichst starke Rückwirkung auf die Spule zu erzielen. Der Messkörper kann aus magnetischem Material bestehen, was jedoch nicht Bedingung ist.

Werden die in den drei Punkten festgelegten Dimensionierungsgrundsätze befolgt, erzielt man eine quasiohmische Anordnung.

Zur Messung wird dieses quasiohmische Element vorzugsweise in eine Brücke gemäss Fig. 12 eingeschaltet.

In dieser Schaltung sind die Elemente Rl, R2 und Rk im Geberkopf 44 auf der Montageplatte 45 angeordnet. Der Widerstand ist bifiiar direkt auf die Messspule 3 aufgewickelt und wird durch das Eingiessen des Spulensystems fixiert. Auch wenn man die Materialien sorgfältig auswählt, weist der Geber noch einen gewissen Temperaturkoeffizienten

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auf, der in der Grössenordnung von 0,5 bis .l/oo /° C liegt. Die temperaturbedingte Impedanzänderung kann durch einen temperaturabhängigen Widerstand r, der in den zweiten Brückenzweig eingeschaltet wird, in ihre Auswirkung kompensiert werden. Der Widerstand r besteht aus Nikkeidraht 00,1 mm, der bei einem hohen spezifischen Widerstand von .7.10" -Q. cm einen grossen Temperaturkoeffizienten von 6,7.10 aufweist. Der Wert des Widerstandes wird mit 200 -ß.gewählt. Zur jeweils genauen Einstellung der Kompensation wird ein Widerstand Rk zu r parallel gefc schaltet. Um eine ausgezeichnete Linearität (ca. 1 % max. Abweichung, bezogen auf den Maximalwert) zu gewährleisten, wird mit der Messspule 3 ein Widerstand R2 in Serie geschaltet, der so bemessen wird, .dass die Aenderung des Gesamtanteils der reellen Komponente dieses Brückenzweiges ca. 5 # des Wertes bei Nullage beträgt. Durch den Widerstand Rl wird der Widerstand des anderen Brückenzweiges angeglichen. Mit Kompensation werden Temperaturkoeffizienten in der GrÖssenordnung von 0,1 °/oo /° C erreicht.

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Claims (15)

1. P ATENTAN SPRUECHE:

   I)J Messwertwandler, mit mindestens einer in einem Wechselstrom-Messkreis liegenden Messspule, auf die vom Messwert abhängige, durch das Spulenfeld induzierte Wirbelströme rückwirken, dadurch gekennzeichnet, dass er einen mit der Messspule (3) fest gekoppelten Leiter (1) aufweist, derart,.dass durch die in ihm induzierten Sekundär-Strome eine vorgegebene Herabsetzung der induktiven Komponente- der Spulenimpedenz auf einen verglichen mit der ohm¹sehen Komponente der Spulenimpedanz geringen Wert erfolgt, derart,dass die Spulenimpedanz praktisch ohmisch ist und dass ein nur in Bezug auf die ohm'sche Komponente der Spu- , lenimpedanz ansprechender· Messkreis (8, 9, 18-20) vorgesehen ist.
2. 2) Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ausser dem ersten mit der Messspule (3) fest gekoppelten Leiter (1) einen zweiten Leiter (2)" aufweist, dessen Koppelung mit der Spule in Abhängigkeit vom Messwert variabel ist.
3. 3) Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leiter (1) zwischen der Messspule (3) und dem zweiten Leiter (2) liegt.
4. 4) Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leiter (1) aus einem Material geringerer Leitfähigkeit besteht als der zweite Leiter (2).

   0098S0/U83
5. 5) Wandler nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (3) aus Widerstandsdraht, gewickelt ist. .
6. 6) Wandler nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (1, 2) flächenhaft z.B. als zur Messspule konzentrische Metall» Zylinder ausgebildet sind.
7. .7) Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leiter (1) als Gehäuse für die Messspule (3) oder als Wickelkörper für dieselbe ausgebildet ist.
8. 8) Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (1, 2) elastisch miteinander verbunden sind und durch die angreifende Messgrösse ihre gegenseitige Lage verändert werden kann, . \"
9. 9) Wandler nach einem der Ansprüche 1 ■ - S₃ dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (3) den einen Zweig einer Messbrücke bildet, in deren übrigen ZweLgen Widerstände (8₅ 9, 18j 19; 20) liegen*.
10. 10) Wandler nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messspule (3) ein Kondensator (17) in Serie oder parallel geschaltet ist.
11. 11) Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Leitern (1, 2) und/oder an einem Spulenkern temperaturabhängige Kompensationswiderstände (9, 10) angebracht sind, die in den Messkreis

    9Ö9850/U83

    geschaltet sind. .
12. 12) Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem ersten Leiter (1) und der mit dem Spulenkern verbundene Kompensationswiderstand (8 bzw. 9) im einen Briickenzweig, und der mit dem zweiten Leiter (2) verbundene Kompensationswiderstand (10) im Speisekreis (21,.22) der Brücke liegt. .
13. 13) Wandler nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (3) eine Güte Q= π von höchstens 0,1 aufweist.
14. 14) Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Messspule (3) ein Kompensationswiderstand mit hohem Temperaturkoeffizienten (r) bifilar auf denselben Spulenträger (40) gewickelt ist.
15. 15) Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (3) und der Kompensation sw id er st and (r) in benachbarte, mit der einen Ausgangsklemme einer Messbrücke (Fig. 12) verbundenen Brückenzweigen liegen.

    . 16) Wandler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leiter (1) eine Wandstärke aufweist, die das ein bis dreifache der äquivalenten Leitschichtdicke beträgt.

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