DE2411139B2 - Induktiver Meßwertgeber zum berührungslosen Erfassen des Abstandes zweier Objekte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Meßwertgeber in Form einer wechselstromdurchflossenen Spule zum berührungslosen Erfassen des Abstandes eines sich bewegenden Objekts zu einem Bezugsobjekt mit elektrisch leitfähiger Oberfläche, beispielsweise des Abstandes zwischen einer Schienenanordnung und eines an dieser berührungslos gehaltenen Fahrzeugs.

Bei einem solchen z. B. mit dem sich bewegenden Objekt verbundenen Meßwertgeber wird bekanntlich die Abhängigkeit der Induktivität der Spule vom Abstand zwischen beiden Objekten für Messungen ausgenutzt, etwa in der Weise, daß die Induktivität mit Hilfe der Eigenfrequenz eines mit der Spule gebildeten Schwingkreises ermittelt wird. Die Genauigkeit dieser Messung wird im wesentlichen durch die Konzeption der Spule bestimmt. Es hat sich gezeigt, daß bekannte Spulen als Meßwertgeber nicht den hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Messung genügen, wie sie beispielsweise beim Erfassen des Abstandes zwischen Magnetschwebefahrzeugen bzw. deren Trag- und Führungsorganen und der zugeordneten Schienenanordnung gestellt werden. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß die Induktivität der Spulen bei größeren Abständen etwa in der Größenordnung von Zentimetern im Falle einer Abstandsänderung beispielsweise von wenigen Millimetern sich nicht oder nur geringfügig ändert und mit dem Abstand stark nichtlinear verknüpft ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwertgeber der eingangs genannten Art aufzuzeigen, bei dem der Zusammenhang zwischen der zu erfassenden Abstandsgröße und der Induktivität der Spule wesentlich besser definiert ist und bei dem dieser Zusammenhang, beispielsweise zwecks Linearisierung, beeinflußbar ist.

Diese Aufgabe ist gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Lösung gemäß der Erfindung liegen zwei Gedankengänge zugrunde:

Zum einen werden in der Hülle der Spule wie bei üblichen Abschirmungen für hochfrequente elektromagnetische Felder Wirbelströme induziert, die durch das von ihnen erzeugte magnetische Feld dem einwirkenden magnetischen Feld des in der Spulenwicklung fließenden Stromes in dem Maße entgegenwirken, daß durch die Hülle (bei entsprechender Dicke) praktisch kein magnetischer Fluß hindurchtreten kann. Infolge der Hülle wird also bei dem Meßwertgeber bzw. der Spule gemäß der Erfindung praktisch nur durch die Durchtrittsöffnungen ein magnetischer Fluß verlaufen, mit anderen Worten, der magnetische Fluß wird in definierter Weise geführt. Dabei ist im Rahmen der Gestaltungsmöglichkeiten des von der Hülle umschlossenen Raumes jede gewünschte Führung des magnetischen Flusses realisierbar.

Zum anderen wird bei entsprechend hoher Frequenz des durch die Spulenwicklung fließenden Stromes der magnetische Fluß außerhalb der Spule im wesentlichen nur den freien Raum zwischen dieser und dem Bezugsobekt durchsetzen, weil bei hinreichend hoher Frequenz der magnetische Fluß praktisch nicht in die leitfähige Oberfläche des Bezugsobjektes eindringt. Somit ist der für die Induktivität der Spule maßgebliche magnetische Widerstand des Weges für den magnetischen Fluß proportional der Länge und umgekehrt proportional dem Querschnitt des vorgenannten Raumes. Demzufolge ist ein gut auswertbarer, im wesentlichen linearer funktionaler Zusammenhang zwischen der Induktivität der Spule und der zu erfassenden Abstandsgröße dann gegeben, wenn in jeder Lage der Spule gegenüber dem Bezugsobjekt ausschließlich der Raum zwischen ihnen den Betrag des magnetischen Flusses von Durchtrittsöffnungen zu Durchtrittsöffnung begrenzt. Diese Voraussetzung erfüllt die vorgeschlagene Anordnung und Ausbildung der Durchtrittsöffnungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und in den Unteransprüchen gekennzeichneter Weiterbildungen werden anhand der Zeichnung nachfolgend näher

erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht eine Spule mit einer Hülle, teilweise aufgebrochen,

Fig.2 in einer Seitenansicht eine andere Ausführungsform einer Spule der in Fig. 1 dargestellten Art gegenüber einer Schiene,

F i g. 3 die Spule gemäß F i g. 2 in Verbindung mit einer zweiten, gleichartigen Spule.

Die Spule gemäß F i g. 1 besteht aus einem Kern 1 vorzugsweise aus ferromagnetischem Material (z. B. Ferrit) mit -;iner Wicklung 2 aus isolierten, flachen, bandförmigen Windungen, z. B. Kupferband mit einer Lackierung. Die gesamte Anordnung äst von einer enganliegenden Hülle 3 umgeben, welche nur Polflächen 4 des Kernes 1 freigibt. Die Hülle 3 besteht aus einem hinsichtlich der Ausbildung von Wirbelströmen elektrisch gutleitenden Material, wie Kupfer od. dgl. Infolge der (nicht ersichtlichen) Isolation der Windungen der Wicklung 2 sind diese nicht nur gegeneinander, sondern zwangsläufig auch gegenüber der Hülle 3 isoliert. (Jm auszuschließen, daß die Hülle 3 als eine die Wicklung 2 induktiv kurzschließende Windung wirkt, ist die Hülle mit einer elektrischen Unterbrechung versehen, und zwar in Form eines Überlappstoßes 5 mit einem elektrisch nichtleitenden Material 6 (ggf. ein Klebstoff) zwischen den betreffenden gegeneinanderstoßenden Verbindungsflächen. Der Überlappstoß 5 erstreckt sich am Innenumfang des Kernes 1 über die gesamte Länge der Hülle 3, wobei sein Verlauf vorzugsweise dem des magnetischen Flusses entspricht, der im von der Hülle umschlossenen Raum entsteht, wenn die Wicklung 2 von einem Wechselstrom durchflossen wird. Die dargestellte Anordnung des Überlappstoßes 5 am Innenumfang ist selbstverständlich nicht bindend; seine Anordnung wird sich nach der Art der Herstellung der Hülle richten. Wesentlich hierbei ist allein, daß der Überlappstoß einen induktiven Kurzschluß der Wicklung 2 durch die Hülle 3 verhindert. Anstelle des Überlappstoßes 5 kann auch vorgesehen sein, daß die Hülle 3 längs der Flußrichtung geschlitzt ist. Ein Schlitz als elektrische Unterbrechung hat jedoch naturgemäß den Nachteil, daß dort ein magnetischer Streufluß austreten kann; dies ist bei der vorbeschriebenen bzw. dargestellten Ausbildung der Hülle 3 ausgeschlossen.

Durch die Hülle 3 wird bei der Spule erreicht, daß praktisch nur an den freien Polflächen 4 des Kernes 1 ein magnetischer Fluß auftreten kann. Das von einem in der Wicklung 2 fließenden Wechselstrom erzeugte magnetische Wechselfeld wird also im von der Hülle 3 umschlossenen Raum geführt und tritt nur an definierten Stellen, nämlich durch Durchtrittsöffnungen 7 der Hülle, in den freien Raum aus. Um ihre Wirkung als Abschirmung noch zu verstärken, kann man die Hülle auch aus einem Material ausbilden, das neben einer elektrisch guten Leitfähigkeit zusätzlich ferromagnetische Eigenschaften aufweist, beispielsweise Eisen. Hierdurch läßt sich nämlich die Induktionswirkung und folglich der Wirbelstromeffekt verstärken. Was den Kern 1 betrifft, so kann auf diesen auch ganz verzichtet werden; die Wicklung wird dann auf einem Spulenkörper ggf. aus Kunststoff angeordnet sein.

Eine derartige Spule, bei der im Rahmen der Gestaltungsmöglichkeiten der Hülle 3 bzw. des von ihr umschlossenen Raumes jede beliebige Führung des magnetischen Wechselfeldes realisierbar ist, ist ein geeignetes Mittel zum berührungslosen Erfassen des Abstandes eines sich bewegenden Objekts zu einem ggf.

ortsfesten Bezugsobjekt. Dies geht aus den F i g. 2 und 3 hervor, von denen F i g. 2 gegenüber einem Bezugsobjekt in Form einer elektrisch leitfähigen Schiene 8 eine am nicht dargestellten beweglichen Objekt angeordnete Spule zeigt, welche im Vergleich r.u derjenigen gemäß Fig. 1 prinzipiell den gleichen Aufbau aufweist. Diese Spule hat jedoch einen Kern 9 in Form einer Platte, wobei die Spulenwicklung aus einer auf der der Schiene 8 zugewandten Fläche des Kernes sich erstreckenden

in Leiterschleife 10 gebildet wird. Die flache Spulenform gesiattet eine Herstellung in besonders einfacher Weise, etwa nach Art einer gedruckten Schaltung. Schließlich ist eine Hülle 11 der vorbeschriebenen Art vorgesehen, welche drei Durchtriltsöffnungen 12 und 13 für den magnetischen Fluß aufweist; die Hülle 11 ist aus Darstellungsgründen nur im Umriß angedeutet.

Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich, durchsetzt der magnetische Fluß Φ der Spule im wesentlichen nur den Raum zwischen dieser und der Schiene 8, was durch eine entsprechend hohe Frequenz des durch die Spulenwicklung (Leiterschleife 10) fließenden Stromes erreicht wird; es kommt beispielsweise eine Frequenz oberhalb etwa 50 kHz in Betracht. Somit ist der für die Induktivität der Spule maßgebliche magnetische Widerstand des für den magnetischen Fluß Φ verfügbaren Weges proportional der Länge sowie umgekehrt proportional dem Querschnitt des Raumes zwischen der Spule und Schiene 8. Um hierbei einen im wesentlichen linearen funktionalen Zusammenhang zwischen der

in Induktivität der Spule und ihrem Abstand zur Schiene 8 zu erhalten, ist der jeweilige Abstand zwischen zwei Durchtrittsöffnungen 12 und 13 größer gewählt als der (dargestellte) größtmögliche Abstand der Spule von der Schiene 8 und ist des weiteren der Querschnitt je Durchtrittsöffnung mindestens etwa so groß wie der (bei dem dlrgestellten größtmöglichen Abstand Spule/ Schiene) zwischen der Spule und Schiene 8 für den magnetischen Fluß Φ verfügbare Querschnitt. Bei dieser Anordnung und Ausbildung der Durchtrittsöffnungen

4i) 12 und 13 wird nämlich der Betrag des magnetischen Flusses Φ (bei konstantem Spulenstrom) praktisch nur durch den Raum zwischen der Spule und Schiene 8 bestimmt.

Die bei der vorbeschriebenen Anordnung gegebene (lineare) funktionale Abhängigkeit der Induktivität der Spule von ihrem Abstand zur Schiene 8 kann selbstverständlich durch Variation der Geometrie der Spule bzw. der Durchtrittsöffnungen 12 und 13 in weiten Grenzen geändert werden, beispielsweise durch Abdek-

5(1 kung von Zonen der Durchtrittsöffnungen 12 und 13 mittels eines elektrisch leitenden, ggf. auch zusätzlich ferromagnetischen Materials, was eine Begrenzung des Flußdurchtrittes bewirkt. Auch kann eine der beiden Durchtrittsöffnungen 13 völlig entfallen, woraus weiter folgt, daß im Falle zweier Durchtrittsöffnungen diese nicht unbedingt symmetrisch zur vertikalen Längsmittelebene der Spule angeordnet zu sein brauchen.

Weiterhin kann die Spule nach Fig.2 auch eine Wicklung aus mehreren Windungen, ggf. unterschiedlichen Durchmessers, aufweisen.

Schließlich zeigt Fig.3 eine Weiterbildung der Anordnung gemäß F i g. 2, nämlich durch eine zweite Spule 14 als Referenz für die der Schiene 8 gegenüberstehende Spule 15. Beide Spulen 14 und 15

bö haben im wesentlichen den gleichen (vorbeschriebenen) Aufbau und sind unter Zwischenfügung einer elektrisch leitenden, u. U. auch ferromagnetischen Abschirmung 16 baulich vereinigt, welche eine Trennung der

magnetischen Flüsse Φ' und Φ der Spulen bewirkt. Der auf der Rückseite der (Mcß-)Spule 15 angeordneten Rcfercn/.-)Spulc 14 steht ein im wesentlichen elektrisch leitfähiger Körper 17 gegenüber, welcher in üblicher Weise justierbar angeordnet sein kann. Die dargestellte Anordnung gestattet genaue Messungen nicht nur des Abstandes zur Schiene, sondern auch die Ermittlung der Differenz zwischen einem Soll- und Istwert des Abstandes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Induktiver Meßwertgeber in Form einer wechselstromdurchflossenen Spule zum berührungslosen Erfassen des Abstandes eines sich bewegenden Objekts zu einem Bezugsobjekt mit elektrisch leitfähiger Oberfläche, beispielsweise des Abstandes zwischen einer Schienenanordnung und eines an dieser berührungslos gehaltenen Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mit einer hinsichtlich der Ausbildung von Wirbelströmen elektrisch gut leitenden, den Außenumfang der Spule enganliegend umgebenden Hülle (3; 11) versehen ist, bei der durch eine elektrische Unterbrechung (Überlappstoß 5) ein induktiver Kurzschluß der Spulenwicklung (2; Leiterschleife 10) ausgeschlossen ist, und daß die Hülle für den im von ihr umschlossenen Raum verlaufenden magnetischen Fluß auf der dem Bezugsobjekt (Schiene 8) zugewandten Spulenseite wenigstens zwei Durchtrittsöffnungen (7; 12, 13) aufweist, deren Abstand größer ist als der größtmögliche Abstand der Spule vom Bezugsobjekt und deren Querschnitt jeweils mindestens etwa so groß ist wie der größtmögliche für den magnetischen Fluß (Φ) verfügbare Querschnitt zwischen der Spule und dem Bezugsobjekt.

2. Meßwertgeber nach Anspruch 1 mit einem magnetischen Kern, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (9) die Form einer Platte hat und die Spulenwicklung aus einer oder mehreren auf der dem Bezugsobjekt (Schiene 8) zugewandten Fläche des Kernes sich erstreckenden Leiterschleifen (10) gebildet ist.

3. Meßwertgeber nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenz der Spule i"> (15) auf ihrer dem Bezugsobjekt (Schiene 8) abgewandten Spulenseite in spiegelbildlicher Anordnung eine zweite, im wesentlichen denselben Aufbau aufweisende Spule (14) vorgesehen ist, bei der den Durchtrittsöffnungen der Hülle mit konstantem Abstand ein Körper (17) mit einer im wesentlichen elektrisch leitfähigen Oberfläche gegenübersteht.

4. Meßwertgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (17) gegenüber der Referenz-Spule (14) justierbar angeordnet ist.

5. Meßwertgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spulen (14, 15) unter Zwischenfügung einer im wesentlichen elektrisch leitenden Abschirmung (16) baulich vereinigt sind.

6. Meßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (3, 11) zusätzlich ferromagnetische Eigenschaften aufweist.