DE2453898A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung von abstaenden - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur messung von abstaendenInfo
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Description
DIPL.ING. H. LEINWEBER dipping. H. ZIMMERMANN
DIPL.ING. A. Gf. ν. WENGERSKY
8 München 2, Rosental 7,
Τθΐ.-Adr. Leinpat München
Telefon (089)2603989
Postscheek-Korito:
München 22045-804
den 13. NOV. 1974
Unser Zeichen
•τ--. IW/III OP-1404-3
HIPPOH KOKAH KABUSHIKI KAISHA
Sokyo / Japan
Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Abständen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und cjine Vorrichtung zur
Messung des Abstandes zu einem Metallkörper, 2.B. au einem
•i
Stahlblock, und einen IHihler dieser Meßvorrichtung. Die Erfindung
betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung mit einem Fühler, vorzugsweise mit einem sondenartigen
Wühler«, welcher aus einem Schwingkreis besteht, der aus
einer Spule und einem Kondensator gebildet wird, und der Abstand Bwischen dem Metallkörper und dem Hihler wird mit grosser
Genauigkeit gemessen, ohne daß der Metallkörper berührt wird,
509820/0871 .
Bs ist bereits bekannt, den Abstand zwischen einem Metallkörper und einem Mhler unter Verwendung der elektromagnetischen Induktion zu messen, wie es beispielhaft in Pig. 1 gezeigt ist« Dazu
wird eine Spule 49 mit einer Impedanz Zg, so angeschlossen, daß
sie mit bekannten Impedanzen Z^, Z~ und Z. eine Wechseletrom-Brüekensohaltung
3 bildet. Die Eingangsanschlüsse der Wechselstrom-Brüokensohaltung
3 sind mit den Ausgängen eines Bezugsoszillators 2 verbunden, welcher mit einer vorbestimmten Frequenz
schwingt, und der Ausgang der Wechselstrom-Brückenschaltung 3 wird
über einen Differentialverstärker 5 verstärkt. Wenn der Abstand D zwischen der Spule 4 und dem Metallkörper 1 im wesentlichen un~
endlich groß ist, ist die Wechselstrom-Brtickenschaltung bekanntlich
dann abgeglichen, wenn der Zustand Z^.Z, « Z2*^3 erreicn'fc
wird. In diesem abgeglichenen Zustand ist der Ausgang der Wechselstrom-Brttckenschaltung
3 gleich Null, und deshalb erzeugt der Differentialverstärker 5 kein Ausgangszeichen· Wenn der Abfand D
verringert wird, ändert sieh die Impedanz Zg der Spule 4 mit dem
Abstand D aufgrund der Änderung der Selbstinduktion welche durch die elektromagnetische Induktion in dem Metallkörper verursacht
wird« Bs ist bekannt, daß die Impedanz Zg sich in nicht linearer
Weise mit dem Abstand D ändert« Infolgedessen ist auch der Ausgang der Brückenschaltung 3 nicht linear» Dieser Ausgang wird
von dem Differentialverstärker 5 verstärkt und dann einem anzeigenden
oder registrierenden Meßgerät zugeführt, so daß der Abstand
D ohne Berührung des Metallkörpers 1 gemessen wird. Die Pig.2
zeigt ein Beispiel der Charakteristik zwischen dem Abstand D und der Ausgangsspannung V des Differentialverstärkers 5»
509820/0871
Wie man aus SIg. 2 sieht, ist die Ausgangscharakteristik der bekannten
Meßvorrichtung nicht linear« YlQzm der Abstand D wächst,
nimmt die l&deruag des Ausgangs ab, -so daß keine hohe Meßgenauigkeit
erreicht werden kanne !Deshalb ist es notwendig, die Charakteristik
durch Verwendung geeigneter äußerer Schaltungen linear zu machenο Da di©Änderung der Impedanz Z« der Spule 4 bezüglich der
Änderung des Abstands D zu dem Metallkörper 1 gering ist, ist es
darüberhinaus notwendig, eine sehr empfindliche BrÜcKenschaltung
aufzubauen« Die Genauigkeit der Messung wird in starkem Maße durch
die Genauigkeit und die Charakteristiken der festen Impedanzen Z..,
2| und 55» bestimmt, so daß aehr viel Geschicklichkeit zur Einstellung
der Brüokensehaltung erforderlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein berührungsloses Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung au schaffen, welehe eine sehr genaue
Messung des Abstandes su einem Objekt ohne die beschriebenen Nachteile ermöglichen und eine lineare Ausgangscharakteristik aufweisen.
Bei dem Verfahren und bei der Vorrichtung soll die nicht lineare··
Abstand-Induktivitäts-Charakteristik durch Einstellung der 3?re~
quenzoharakteristik eines Schwingkreises mit einer Spule durch
Steuerung der Schärfe Q des Schwingkreises kompensierbar seino
Ss ist ferner Aufgabe der Erfindung., ein derartiges Verfahren und
eine derartige Torrichtung zu schaffen» bei denen Meßfehler eliminiert
werden,, weiche durch nicht. steuerbare Veränderung der Schärfe
des Schwinglor-eises aufgrund einer Veränderung der Frequenz verursaoht
werden *
509820/0871
Ferner sollen bei diesem Verfahren -und "bei dieser Vorriclxtimg Meßfehler,
welche durch Impedanssändermig des Schwingkreises aufgrund
vo'jß. iDemperatv.sänd©ruagen v©a?ursaolrb werden, weitestgehend verringert
vö.'t'dosi.
Haoh dem arfindirngsgessäßen Verfahren wii'd eine Spule , welche mit
einem Kondensator einen Schwingkreis bildet, .gegenüber öinem Metallkörper
1 angeordnet, dessen Abstand gemessen werden soll«. 33ie
Selbstinduktivität der Spule» welche durch den Abstand zwischen der
Spille und dera Metallkörper bestimmt wird» wird mit einem Bezugs«
wert der Selbatinduktivität der Spul©, welche dies© an einem bestimmten
Bezugspunkt hat (sj.B. au, einem Pwnktsder im wesentlichen
unendlich weit von dem Metallkörper entfernt ist), verglichen, da«
mit die Mfferenss der Inderimg dar Resonaassfrequens des Schwing·--·
kreiß©8 abgeleitet werden kann« Bin Weöhselstromsignal, welches
dieselbe Prequenz wi© die HepoaanEfreqiiens des Schwingkreises hat
una von einsm Bssugsossillator geliefert wird} wird einem Q«¥ervielfältiger
(Q«-up-Schaltung) ziigeftihrt, welch© mit dem Schwing«=·
kreis "verbunden ist9 wodurch die Änderung des A-ußgangs entepre·=·
chend der Änderung der Resonanzfreqtienz des Schwingkreises als
das Signal abgeleitet wird, welches den Abstand mißt. Die Nicht«"
linearität der Abstand«=Induktivitäts-»öharakt@3?istik wird durch
Einstellung der Schärfe Q des Schwingkreises durch Veränderung des Verstärkungsfaktors und/oder des Wertes der Mitkopplung des
Q-Vervielfältigers derart kompensiert;, daS die Impedanz« oder die
Phasen-Prequens-Gharakteristik des Schwingkreises eine kompl©men~
täre, nicht lineare Charakteristik aufweist, welche die K
tat der Abstand^XMukiiTitats-Gharalcteristik kompensiert. Da mit
üx&m®, Tsrfateeii dar Abstand av/i sollen ©ixiem Metallkörper und einem
HßSftai©?? ko3ruis;mi.erlie1i gemessen werden kann, Eann das Verfahren
fad td.iile?! gw@ck'33i ^r-wendst werden» 2*33«, aura Orten der Position
ύ&ώ. Gegenständen aus Stahl auf einem Fließband, zum Erkennen des
Ausmaßes der Biegung eines langen StahlkörperS9 sur Untersuchung
der Konturen you Metallstreifen usw..
Ba die ibi&sraag der- Salbst induktivität der Spule durch die
r-ima; des Atsotanis sswiiseiien der Spul© und dem Metallkörper, der
geoju-'iiöt oder desssn A"bsta?id geaieBsen ¥srdi5a soll, yeriirsacht wird,
hSag-l; äi\r Grad äer Snderuag der Selbstindiiktiyitat der Spule von
dem Material des Metallkörpers ab« Eine solche Messung wird jedoch
im allgemeinen ©ine lange Zeit für ein bestimmtes Material durchgeführt,
2.B.* "bei Irbeitsstahlvors^äten oder beim Rolfon von Stahl-»
streifen, eo Saß die Vorrichtung, wenn sie einmal für ein vorbestimisteB
Material geeicht ist, auch für aadere Materialien verwendet
werden kaan, indem einfach dar Biohwert für dieses besondere
Material eingestellt wird. Da außerdem die Differenz der Zusammensetzung
oder der Art der Stahlyorräte keine merkliche Differenz
der magnetischen Eigenschaft ergibt, kann die "Vorrichtung auch für verschieden®- Stahlsorten, welche auf demselben Fließband verarbeitet
werden, mit yernachlässigbar kleinem Meßfehler verwendet
werden» . ·
Bin erfin&ungsgemäßer Äbstandsmesser, welcher den Abstand zwischen
einer Spule und einem Metallkörper durch die Änderung der
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Impedanz der Spule mißt9 ist gekennzeichnet durch ©inen Kondensator,
welcher mit einer Spule zu einem Schwingkreis geschaltet.ist, durch einen Bezugeoasillator, welcher ein Wechselstromsignal mit
vorbestimmter PrequQnz erzeugt, durch Mittel, welche das Wechselstromsignal
dem Schwingkreis zuführen, durch einen Q-Vervielfacher, welcher mit dem Beaugsosaillator und dem Schwingkreis verbunden ist,
und durch Mittel zur Einstellung des Verstärkungsfaktors oder des Wertes der Mitkopplung des Q-Vervielfachers derart, daß in äquivalenter Y/eise die Schärfe des Schwingkreises eingestellt wird,
wodurch die nicht lineare Charakteristik zwischen der Variation des Abstands und der Variation der Impedanz der Spule linear gemacht
wird*
Der Q-Vervielfacher uirfeßt vorteilhafterweise einen Verstärker,
welcher mit dem Bözugsoszillator verbunden ist, und einen nicht invertierenden Eingangsanschluß, welcher mit dem Schwingkreis verbunden
ist, aufweist, und eine Gegenkopplungsschaltung zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem invertierenden Eingangsanschluß
desselben und eine Mitkopplungsschaltung zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem nicht invertierenden Eingangsanschluß
desselben.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
und der Beschreibung im Zusammenhang mit den beigegebenen Seichnungen hervor. Es zeigen:
-7-509820/0871
Pig, 1 ein * Blodsdiagramm eines lontäktfreien Abstandsmessers,
wele'iier ©ine elektromagnetische Induktionsspule und
ei:-ae L^hßGlstrom-BrüGkensckaltimg umfaßt,
Pig* ;·ί (l:Lf* ..Vii.&gsngscliarakteristik des in Pig. 1 gezeigten
"fig*- 3 eia 'BlocMiagramm der feundkonst^iürtioa des neuen,
©rfiatimigsgemäßen Abstandsmessers,
lig« 4a die Impeds-mEs-PrequeBS-oharakteriBtilcen eines Schwing-
Pig. 4"b die Pif.asen-JPreciuenE-Ch.arakteriBtilcen des Schwingkreises,
Pig. 5 ßie AttsgaagsöharßfetörisMk des erfiMimgegesaaßen Ab
sssars. isncl
Fig. 6, 7 Tina S BlooMiagranima YerssMedsiier
d@r Erfindung.»
Die S'ig» 3 zeigt dia grundlegende lonstruktion des
sen Abstandßsiassers, dessen Komponenten* sov/eit sie mit denen der
Pig» 1 vergleiclabar Bind9 amoh dieselben Baaugsseichen tragen» line
Sp-ßle 4 ist gU'gönifo®3? einem Metallkörper 1, der gemessen v/erde», soll,
angeordnet, woä. ein Kondensator ö liegt parallel zu der Spule 4
•und MXö.et mi'fc fiü&s3©r sinon SohwiaglsreiSj dessen Eesonanzfre^iiens
«τοϊτοίι '"Ij.ö BesugBiÄ^ÄtiTität ä@r SpnXo 4 {das ist die Selfcstina&fc»
'bi'vxW.t d-jie UpAe, liim-i si θ nicirs siit dem Metallkörper1 1 gekop«
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pelt ist) land durch eine vorbestimmte Kapazität clss Eondensa«
tors C gebildet wird» Ss let ein BesugEoasill&tor 2 vorgesehen9
welcher dem Sofewingkreis ein Wechselstromsigaal sufUfert, de$$$tf
Frequenz gleich der BesmgsfrequsM iet· Perner ist ei&. Positiv-·
phasenverstärkar 6 vorgesehen, w@leb.er suaam&sn mit Einern Mitkopplungswiderrätand
Hp einen Q^Tervielfaeher bildet» Der Besugsossillator
2 ist mit dem Schwingkreis verfemide^ imd, ü"bsr ©in©n
Rci> mit dem Q-?exTielfaoher* In Pig« 3 ist der
Q»?ervielfaolier als MitkopplungsYeretärlcer dargestellt 9 welcher
di@-sel"be G^vxidkonstnuctio-n hat, wi® ein parallel©!4 Schwingkreis
mit swei a4nsc2ilüss©a, weloher einen Po sit ivphasenTer stärker und
eine MitLcopplimgsschaltwng iimfaßt* Ss ist jedoch auch möglich9
einen Q-Yervielfaches? su verweBdesij in welchem einer des? vielen
bekannten Oszillatoren» s,B. ein Eeilien*»!Doppelkle3ismeB»0ssillator,
ein Anoden-(Kollektor-)j ein Gitter» (Basis«»), ein Hartley-»
ein Oolpitts» oder Gegentakt-Ossillator als negative Widerstands«
schaltung verwendet wird, nicht ,jedoeh als Oszillatorβ 3)er Q-»Yervielfacher,
welcher hei dem Ausführungsbeispiel vervrendet wirdff
muß eine Veränderung oder Justierung das Yerstärkungsfaktors
und/oder des Betrags der Mitkopplung erlauben, wie ©s im folgenden
näher beschrieben i<d.rd.
Wenn bei der in Pig. 3 gezeigten Vorrichtung der Abstand B
sehen der Spule 4 tad äem Metallk5rper 1 im wesentlichen unend™
lieh groß ist (oder die Spule 4 nicht Bit dem Metallkörper 1
gekoppelt ist), and wenn ein Wechselstromsignal mit definierter
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!Frequenz und definierter Amplitude von dem Bszugsoszillator 2 .
über den Esihsnwiderstaad Ig dem Schwingkreis zugeführt wird, wird
dessen Ausgang dursli ciön Positivpaassnverstärker 6 verstärkt, und
ein rfiex'j, dss Awjgaiigs wird dsm Eingang des Verstärkers über den
MitkoppXimgswi&e'L'iB'öana. Ep Mitgekoppelt. Die Osaillationsfrequenz
des Bemigsoesillaiors 2 wird ;je"tsst durch fgt und die lesonanzfre-
qa&.u£. de-B Schwingkreises wJLvä durch f^ bezeichnet. Wenn die Ossillatiüssiitireiraeiss
so eingestellt ist, daß das Verhältnis
Έ. as f^/f-j, im Boreieh zvj:Lsehen 0}1 mid 10,0 liegt, toasrn man die
lEipedans^ibiQQ.-asiaz^oharakt&siistiken des Schwinglcreisös, V7ie sie in
Mg, 4a geneigt sinrl, durch Messen der Ausgaagisspannung des Ver«
stärk©2?s 6 besüglieh des Verhältnisses K erhalten« Die Impedanz
2« der Spule 4 wird durch die Gleichung S9 = Rn * ;jX ausgedrückt
v/erden (wobei "Rq den Widerstand der Spule und X deren Reaktanz
bezeichnen) 9 und die Resonanzschärfe Q des Schwingkreises wird
durch die Gleichung Q- X/Rq ausgedrückt,, Dementsprechend ist es
möglich, irgendeinen Wert für die Selektivität oder Trennschärfe
Q durch j£nd©rung d©s Wertes äeä Widerstandes Rq auszuv/ählen» Tat«
sächlich beerbst jedoch di® Spiele 4 einen gewissen Widerstand,
der nicht auf Hull reduziert werden kann0 Zum Zwecke der Kompensation
des effektiven Widerstandes des Schwingkreises ist jedoch ein äußerer Q-Vervielfacher vorgesehen, dessen Impedanz durch
Veränderung des Verstärkungsfaktors des Q-Vervielfachers und/
oder des Wertes der positiven Rückkopplung von unendlich bis zu
einem· negatives}. Wert verändert werden kanne Die Resonanzschärfe
Q des Schwingkreises kann somit auf einen gewünschten Wert eingestellt
ü?erdene Me Fig« 4a zeigt die Impedanz^lFrequenz-Gharakteri-·
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- ίο «·
stiken des Schwingkreises für verschiedene Schärfen Q„
Woim disSgul® 4 nähe:?? an d©a Metallkörper 1 herangeführt wird, ändert sich die Salbetin&uktivität der Spule nicht linear» fliheore«
ti Kt???. gs&ert- sieh die it/asonajisifregmens &©ß Sohttfingkreiejes nicht
linear mit der Veränderung der Induktivität» 3)a ge do eh. die Veränderung
der Impedanz sehr'klein ist, kann iaaa so tun, als ob die Re»
aonaazfeegraiesis sieh proportional sur Induktivität anders. Dementi
sprechend wird das Verhältnis im Bereich von 1,0 bis 10?0 gehalten
und verändert sich nahe bei 1f0e
Aus dem oben beschriebenen Grund bewirkt eine Veränderung der Impedanz
nahe der Resonanafrequeng; eine große Veränderung des ResonaaaBtromes
oder der Resonanz spannung, nämlich aufgrund der nicht linearen Charakteristik des Schwingkreises, und da diese
Hichtlinearität der nicht linearen Charakteristik der Indutetivitätsveränderung
bezüglich der Veränderung des Abstände von der
Spule 4 entgegengsrichtet ist, ist es möglich, eine im wesentlichen
lineare Ausgangscharakteristik zu erhalten, falls diese beiden
Charakteristiken durch geeignete Einstellung der Schärfe Q dea Schwingkreises durch Einstellung des Verstärkungsfaktors
und/oder des Wertes der positiven Mitkopplung des Q-*Vervielfacherß
komplementär zueinander ausgebildet werden» Sie Fig. 5 zeigt ein
Beispiel der Abstand-Ausgangs-Gharakteristik des oben beschriebenen
Äusführungsbeispiels.
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In dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel wurde aie gewünschte
AusgangscTaarakterietik durch Veränderung der Impedanz dee Sohwingkreisee
erhalten. Bs ist jedoch auch möglich, die gewünschte Ausgangschatfakteristils:
durch Phasenvariation des Schwingkreises zu erhalten. Ss ist bekannt, daß die Phasen-SVequenz-Charakteristiken
eines Schwingkreises für verschiedene. Werte der Schafe Q durch in Pig» 4b gezeigte Kurven dargestellt werden, wobei die Phase
des Resonanzstroines oder der Resonansspannung sin ändert, wenn
die !frequenz τοη der Resonanzfrequenz abdeicht. Durch Ableitung
einer solchen Veränderung als Veränderung der Spannung oder des Stromes ist es möglich, ähnliche Messungen durchzuführen«,
Wie die 3?igo 4b zeigt, ändern sich die Phasen-lrequenz-Ctiarakteristiken
de3 Schwingkreises besonders stark im Bereich der
Resonanzfrequenz. Durch Analysieren dieser PhaeenverSnderung unter
Verwendung der Phase des von dem Beaugsoszillator erzeugten
Wechselstromsignals als Referenz ist es möglich, den gemessenen Ausgang zu erhalten. Der gemessene Ausgang kann z.B. über einen
phasengesteuerten Gleichrichter 7 abgeleitet werden, wie es in Pig..6 gezeigt ist. · - . . .
2 Wenn man das Wechselspannungssignal des Bezugsoszillators/mit
g lüid die Ausgangs spannung des Verstärkers 6 mit Ej
beseiclmetj kann die Ausgangsspannung Eq des Synchrondetektors 7
durch die Gleichung Eq » ERcos^ geschrieben v/erden, wobei 4 die
Phasendifferenz bezeichnet. Nach Koinzidieren der Oszillations~
frequenz- fg &qs .Bezugsoszillators 2 mit der Resonanzfrequenz f^
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des Schwingkreises in einen Zustand» in welchem der Abstand zwischen
der Spule 4 und dem Metallkörper 1 im wesentlichen unendlich groß ist, ändert eioh mit Abnähme des Abstands die Phase
des Ausgangs Tom Positivphasenverstärker 6 entsprechend den in Pig. 4b gezeigten Charakteristiken. Infolgedessen ändert sich die
Ausgangsspasinung des phasengesteuerten Gleichrichters in Überein«
Stimmung mit einer kombinierten Charakteristik der Variations·» charakteristik der Impedanz der Spule 4 und der Phasen-Prequens««
Charakteristik des Schwingkreiset-u Bs ist wieder möglich, die
Schärfe Q deß Schwingkreises durch geeignete Auswahl des Verstärkungsfaktors und/oder des Wertes der Mitkopplung des Q-Yervielfachers
einzustellen, und somit die Gesamtcharakteristik linear zu machen. Wenn der Auegang auf diese Weise durch eine Phasenana»
lyse erhalten wird» ist es dann, wenn die Charakteristik unabhängig
von. der Amplitude des Ausgangssignales ist, möglich den
Einfluß äußerer Störungen auf die Amplitude durch Verwendung einer geeigneten Wellenformer stufe vollständig zu eliminieren 0
Wenn ein Wechselstromsignal τοη dem Bezugsossillator 2 über den
Reihenwiderstand Rg dem Schwingkreis zugeführt wirds wie es in
den Pig. 3 und β gezeigt ist, wirjttder Widerstand Rg als paralleler
Widerstand des Schwingkreises und verringert so die Schärfe
Q des Schwingkreises· Wenn ein Gleiohstrompotential an den Ausgangsanschlüseen
des Bezugsoszillators 2 erschein^, ist es notwendig,
das Wechselspannungesignal über einen Kondensator, welcher
einen Gleichstrom unterbricht, dem Schwingkreis zuzuführen. Palis jedoch die Semperaturcharakteristik eines solchen Konden«*
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sators nicht sehr gut ist, ändert sich die Resonanzfrequens das
Schwingkreises mit der !Temperatur«,
!Jm flissea. laohteil su vermeiden, wird bei dem in 3Pig# 7 gszeig-"bea
Ausi"ül22?imgsbeispiöl das ¥echsslsta?omsignal des Besugsoszillators
2 über den Schwingkreis baw. eine Eingangsschaltung dem Verstärker
6S zugeführt. Das Wechaelstromsignal, welches dem invertierenden
Eingangsansehluß des Verstärkers 6* von dem Bezugsossillator
2 über den Reihenwifierstand Rg zugeführt wird, wird in
dem Verstärker 6' auf einen vorbestimmten Wert verstärkt, und
ein !eil des Ausgangs wirdddem invertierenden Eingangsanechluß
Über den Rückkopplungswiderstand Rjj rückgekoppelt und über den
JKitkopplungswiderstand Rp dem nicht invertierenden Eingangsansehluß
mitgekoppelt. Der nicht invertierende Eingangsansehluß ist mit dem.Schwingkreis verbunden, welcher aus der Spule 4 und
deai Kondensator G besteht. Die Bezugsresonanzfrequenz ist auf ·
einen vorbestimmten Wert eingestellt, wie im Ausführungsbeispiel der !Fig. 3. Bei diesem Ausführimgsbeispiel besteht der Q-Vervielfacher
aus einem Verstärker 6* und dem Mitkopplungswiderstand Rp
und dem Gregenkopplungswiderstand R«, so daß die Schärfe des
Schwingkreises in äquivalenter Weise durch Justierung des Verstärkungsfaktors durch Veränderung des Widerstandes Rjj und/oder
durch Justierung des Wertes der Mitkopplung durch Veränderung des Widerstandes Rp auf einen beliebigen Wert eingestellt werden
kam.- Auch in dem in SMg. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist es,
durch Einstellung der Schärfe Q sur Kompensation der Sichtlineari·
tat dsr ö*aaraktsi2?ißtik der Indiiktivitätsveräadenang der Spule 4,
50 9820/0871 -14-
möglich, die Ausgangseharakteristik des "Verstärkers 61 linear zu
maohea, wie es in Pig. 5 geaaj.gt ist, selbst wenn der Abstand·, swi«
sch-Θϊΐ der-SpTaIe 4 viiä dem Metallkörper 1 aio?a verändert. Da die
Mngangsschaltung ties Weehselstsomsignals wx& des Schwingkreises
über vollständig isolierte Schaltungen mit dem Q-'fer ielfacher
Vörbundsn sind, ist es möglich, vex'schiedeae oben beschriebene
Sroblems zu eliminieren· Es ist auch möglich, die Eingangsschaltung
des Wechselstromsignals von dem Schwingkreis durch Kopplung
des Wechselstromaignals mit de». Ausgaagsanschlüssen des Verstärkers 6· au isolieren«
Eb ist auch wichtig, eine Verringerung der Meßgenauigkeit zu verhindern,
wölchejdureh Veränderungen der Schärfe Q und der Resonanzfrequenz
des aus der Spule 4 roi dem Widerstand C bestehenden
Schwingkreises aufgrund von aiemperaturändeningen verursacht werden·
Es ist bekannt, daß die Impedanz Z^ der Spule 4 sich mit der
(Temperatur ändert· Wenn die Spule 4 hinreichend weit von dem
Metallkörper 1 entfernt ist, wird die Impedanz Z2 durch die folgende
Gleichung ausgedrückt:
wfcei Rq und Lq den Widerstand "bzw, die Induktivität der Spule
1-a.i dar gstemperattrc und AR.fc und AA* die irtikrementalen Ver·=
änderungen ■&s Widerstandes "fogi^o der Induktivität der Spule be«
' «15-
509820/08 V 1
zeichnen., wsnn die ülemperatur sich, um t 0C ändert. Selbst wenn
der Abstand sv/isclien der Spule 4 unä dem Metallkörper 1 gleich dem
anfangs eingestellten Wert oder im wesentlichen unendlich groß ist,
fuhren Semperaimrrarän&erungen au Veränderungen der Schärfe und
der Resona3i53:fr@G[UQnz des Schwingkreises, wodurch die Genauigkeit
der Messimg Terringert wird.
In Pig. 8 ist ein. anderes Ausfiiln?ungsbeispiel gezeigt, "bei wel«
©hem das oben beschriebene Problem vermieden wird. Mesee Aus«
fiBrnrngsnei spiel ©Ktliäli einen Resonanskondensator 0f mit einer negativen
Semperaturch&rs&terAstilc, ein temperaturempfindliches
Widerstaxidselement 8 mit einer negativen 2emperaturcharakteristiks
z.B.- einen GJherBiistor, und" eine Spule 4. Diese !Teile sind zu einem
einheitlichen sondenartigen iHlhler 9 Kueaxsmengesetst, welcher Über
ein Koaxialkabel ο «dgl. mit der Mitkopplxmgsschaltung des Yerstärkers
6' T©a?bimden ist. Da die Spule 4 eine positive Sempe«·
raturcharakteristik aufweist, bewirkt das temperaturempfindliche
Element 8 mit der negativen Charakteristik eine Kompensation des
realen !Teils der Impedajaz der Spule 4, während der Kondensator C1
mit der negativen Charakteristik eine Kompensation des imaginär ren !Teils bewirkt, vjodurch Tergn&erungen der Charakteristik der
Spule 4, Vielehe äiireh Semparaturveränderungen verursacht werden,,
kompensiert werden* Auf diese Art ist es möglich, Abstände mit
höchster ©eaauigkeit au messen, unabhängig von irgendvielohen Semperatursehwsffikußgen.
Bb ist klar, daß derselbe SSweek erreicht
werden kä3Ems nimm der fühler 9 mit der Gegenkopplungssehaltung
des Terstärkesvs β5 verbunden wird.
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Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß mit der Erfindung ein Abstandsmesser geschaffen wurde, der einfach aufgebaut ist
und höchst empfindlich ist und mit hoher Genauigkeit arbeitet. Dieser erfindungsgemäße Abstandsmesser hat eine Ausgangscharakteristik
mit hervorragender Linearität, wobei keine äußere Schaltung zur Linearisierung verwendet werden muß, und er hat größere
Meßbereiche als die bekannten AbstandsmeBsere Die erfindungsgemäße
Vorrichtung eignet sich somit für viele Anwendungen beim Messen und beim Erkennen oder Orten von Metallkörpern, z.B«, zur
Ortung der Position oder zum Erkennen von Krümmungen oder Konturen von Metallkörpern.
-17-5 0 9820/0871
Claims (5)
- Ansprüche1· !Verfahren zum Messen des Abstandes zwischen einer Spule und einem Metallkörper, bei welchem der Abstand durch Veränderung der Impedanz der Spule gemessen wird, welche durch Veränderung des Abstandes verursacht wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingkreis, der aus der Spule und dem Kondensator besteht, mit dem Eingang eines Q-Vervielfachers verbunden wird, daß ein Wechselstromsignal mit einer vorbestimmten Frequenz dem Q-Vervielfacher zugeführt wird, und de θ die Impedanz- oder die Frequenzcharakteristik des Schwingkreises durch Veränderung des Verstärkungsfaktors und/oder des Wertes der Hitkopplung des Q-Vervlelfächerβ eingestellt wird, wodurch in äquivalenter Weise die Schärfe des Schwingkreises so eingestellt wird, daß die nicht lineare Abstand-Induktivitäts-Charakteristik der Spule kompensiert wird, wodurch Änderungen des Meßausgangs des Q-Vervielfachers linear gemacht werden.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß j die Änderung des Ausgangssignals, welche durch Phasenanalyse des Ausgangs erzeugt wird, linear gemacht wird·
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselstromsignal und der Ausgang dee Schwingkreises den Q-Vervielfacher über unabhängige Eingangestufen zugeführt werden.-18-.609820708714u Abrtandemesser, gekennzeichnet durch eine Spule (4)« welche - gegenüber einem Metallkörper (1), dessen Abstand gemessenwerden soll, angeordnet werden kann, durch einen Kondensator (C)1 welcher mit der Spule (4) einen Schwingkreis bildet, durch einen Bezugsoszillator (2) zur Erzeugung eines Wecheelstromeignals mit vorbestimmter Frequenz, durch Mittel, welche das Wechseletromsignal dem Schwingkreis zuführen,durch einen Q-Vervielfacher, welcher mit dem Bezugsoszillator (2) und dem Schwingkreis verbunden ist, und durchMittel zur Einstellung des Verstärkungsfaktors und/oder des Wertes der Mitkopplung des Q-Vervielfacher s derart, daß in äquivalenter Weise die Schärfe des Schwingkreises eingestellt wird, wodurch die nicht lineare Charakteristik: zwischen der Veränderung des Abstände zwischen der Spule (4) und dem Metallkörper (1) und der Veränderung der Induktivität der Spule (4) linear gemacht wird,5c Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Q-Vervielfacher mit dem Bezugsoszlllator (2) und mit dem Schwingkreis über voneinander isolierte Eingangsstufen verbunden ist06ο Verrichtung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Besugeoeslllator (2) erzeugte Wechselstromsignal eine frequenz hat, welch« gleich der Resonanzfrequenz d·· Schwingkreise» lit, wennddit Spul· (4) Bit de« Metallkörper (1) nicht «Itktroeafnetisch gekoppelt let.-19-B09820/0b717· Torriohtung msh ßlnesa der Aüissprüöhe
- 4 Ms β, dadurch gekenn« se.i.ölffiiat;, fla© el©:·? Q^Yervielfaeker einen Positivphasenverstar·* ker (β) VMfBBt, 'ti@lsli.gr ©ine Mitkopplimgssehaltung aufweist·8* Terriehtimg nach einem der Anspruch© 4 "bis T5 "dadurch, gekenn* seielmet j daß der Ausgang dee Q«»Yervi@lf achers über eine Wel» lenform©a?a1ai.fe j. wslehe die Amplitude des Ausgangs konstant maoht9 mit einem p5ias©ng©st©uertea G-leioliriohter (7) Tsriatm^ dan ist-, welcher ein Ausgangssigaal erzeugt, welches mit der ibiderung der Phase äe& Ausgangs "bezüglich der Phase des dem. Beztigs©ssillator (2) erzeugten Wechselstromsignals einstiismt«9* forrielatimg naeix einem der Ansp2?üslie 4 bis B9 dadurch gekenn» - seiehnets daß der Schwingkreis zusätslich ein temperaturempfindliches ¥id®rstands@leaent mit ©insr negativen Semperaturcharakterietik enthält9. welche so ausgewählt ist 0 daß die Impedanz-Eemperatur^Gharalcteristik komplementär zu derjenigen der Spule ist»10» Torrichming naah einem der Ansprüche 4 bis 99. gekennzeichnet diiroh einen Q-?©nrielfacher s welcher einen invertierenden Eingasige83iechlu39 der mit dem Beäsugeoszillator (2) verbunden istP und ©inen nicht invertierenden Singangsansehluß, welcher mit · dem S©l?,wiÄigk::?©is verbinden i8t5 umfaßt 5 durch eine Gegenköpplungs-sw;Lsöl3.©n dem Ausgang des Terstärkers und dem invertielingasgssaschluS xmd durch eine Mitkopplungssehaltung zwiäe-m Ausgang, des Yerstärkers (β1) und dem nicht invertierenden 3inf: ^gismseSiXiiß«
- 5 0 9 8 2 0/0871 BADι ί0L e e r s eite
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