DE2722544A1

DE2722544A1 - Vorrichtung zur induktiven abfuehlung von aenderungen in einer relativlage

Info

Publication number: DE2722544A1
Application number: DE19772722544
Authority: DE
Inventors: Rune Ulrik Karlen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-05-20
Filing date: 1977-05-18
Publication date: 1977-12-08
Also published as: SE7605723L; DE2722544C2; GB1554388A; FR2352278A1; SE401901B

Description

PATENTANWÄLTE D-4000 DÜSSELDORF 1 j DJPL.-ING. ALEX STENGER

M*lka*fe_nstr.e* 2 DIPL.-INC. WOLFRAM WATZKE

2 2544 DIPL.-ING. HEINZ J. RING

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Rune Ulrik KARLEN, Hällgatan 10, S - 582 6) Linköping

Vorrichtung zur induktiven Abfühlung von Änderungen in einer Relativlage

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Abfühlung von Änderungen in der Relativlage eines Gegenstandes aus einem auf den Magnetfluss einwirkender. Material und eines ferromagnetischen, vom Gegenstand getrennten Kerns, auf dem eine zur Erzeugung eines magnetischen Weenselfeldes vorgesehene Erregerspule zwischen zwei den Magnetfluss abfühlenden Mittein angebracht ist, die gleichfalls auf den Kern angebracht sind und den abgefühlten Magnetflüssen entsprechende Signale erzeugen.

Vorrichtungen dieser Art sind bereits bekannt und verwenden die Erregerspule und die zwei den Magnetfluss abfühlenden, von Spulen gebildeten .'littel als Differentialübertrager, wobei die Amplitude der von den differential gekoppelten, den Magnetfluss abfühlenden Spulen induktiv erzeugten Spannung die Grosse einer Änderung im Abstand zwischen dem Gegenstand und dem Kern kennzeichnet» und die Richtung der Änderung ist gegeben, falls diese Spannung mit der der Erregerspule aufgedrückten Spannung phasengleich oder im Verhältnis zu dieser Spannung gegenphasig ist. Der von der Erregerspule erzeugte Fluss wurde hierbei teils über eine die eine den Magnetfluss abfühlende Spule passierende Bahn zum Gegenstand geleitet und teils über eine die zweite den Magnetfluss abfühlende Spule passierende Bahn zu einem Bezugsgegenstand geleitet.

Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht in deren beschränkter Empfindlichkeit.

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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine erhöhte Empfindlichkeit einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur induktiven Abfühlung von Änderungen in der Relativlage eines Gegenstandes aus einem auf den Magnetfluss einwirkenden Material und eines ferromagnetischen, vom Gegenstand getrennten Kerns, auf dem eine zur Erzeugung eines magnetischen Wechselteldes vorgesehene Erregerspule zwischen zwei den Magnetfluss abfühlenden Mitteln angebracht ist, die gleichfalls auf dem Kern angebracht sind und den abgefühlten Magnetflüssen entsprechende Signale erzeugen, gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anordnung des ferromagnetischen Kerns und der den Magnetfluss abfühlenden Mittel eine solche ist, dass die von den den Magnetfluss abfühlenden Mitteln erzeugten Signale zueinander phasenverschoben sind, und dass ein Phasenvergleicher vorgesehen ist, um ein Signal, das eine Änderung der Relativlage angibt, durch Vergleich der Phase eines Bezugssignals mit der Phase des Unterschiedes zwischen den von den Magnetfluss abfühlenden Mitteln erzeugten Signalen zu erzeugen.

Weitere Nachteile der bereits bekannten Vorrichtung sind in der Notwendigkeit eines Bezugsgegenstandes sowie in der Temperaturabhängigkeit der Vorrichtung zu sehen.

Es ist daher eine weitere Aufgabe der Erfindung, auch diese Nachteile der bereits bekannten Vorrichtung zu beseitigen.

Die Erfindung wird im weiteren anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. Von den Figuren zeigt

Fig. IA-E schematisch Beispiele der Anordnung eines ferromagnetischen Kerns, einer Erregerspule und zweier den Magnetfluss abfühlender Mittel,

Fig. 2A und 2B Vektordiagramme für die zwei von den den Magnetfluss abfühlenden Gliedern erzeugten Signale und den Unterschied zwischen ihnen,

Fig. 3 ein Blockschema einer Ausführungsform der erfindungsmässigen Vorrichtung, und

Fig. 4 einen Stromlaufplan für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Ein in der erfindungsmässigen Vorrichtung enthaltener, ferromagnetischer Kern 1 kann ein Eisenkern oder ein Ferritkern sein und kann die Form eines geraden Kerns, eines Ε-Kerns, eines Y-Kerns usw.

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haben. Eine Erregerspule 2, der im Betrieb eine Wechselspannung aufgedrückt wird, ist hauptsächlich in der Mitte des Kerns zwischen zwei den Magnetfluss abfühlenden Mitteln in der Form von Spulen 3 und 4 montiert.

In der Ausführungsform gemäss Fig. IA und 1C-1E sind die Spulen 3 und 4 im Verhältnis zur Erregerspule 2 unsymmetrisch angeordnet. In den Ausführungsformen gemäss Fig. IB und ID ist ein Blechstreifen 5 im Verhältnis zur Erregerspule 2 unsymmetrisch angeordnet. In der Ausführungsform gemäss Fig. IE ist der Kern in einer Hülle 6 aus einem auf den Magnetfluss einwirkenden Material unsymmetrisch angebracht.

Zweck der oben beschriebenen Ausführungen des Kerns 1 und der Spulen 3 und 4 ist, die beiden Spulen 3 und 4 dazu zu bringen, in Fig. 2A und 2B als Vektoren 7 bzw. 8 veranschaulichte Signale zu erzeugen, die in einem Winkel φ zueinander phasenverschoben sind. Diese Phasenverschiebung lässt sich selbstverständlich auch in anderer Weise als in Fig. 1 gezeigt zustandebringen. Wie aus einem Vergleich zwischen Fig. 2A und 2B ersichtlich ist, wird bei verschiedenen Amplitudenvariationen der genannten zwei Signale 7 und die Phase des als Vektor 9 veranschaulichten Unterschiedsignals somit kräftig variieren.

Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass bei Veränderung der Relativlage des Kerns 1 und eines auf den Magnetfluss einwirkenden Materials (vgl. Fig. 3, wo ein auf den Magnetfluss einwirkendes Material in der Form z.B. eines Bleches in zwei Lagen A und B gezeigt ist, in denen die Signale gemäss Fig. 2A bzw. 2B erzeugt werden) durch Änderung beispielsweise des gegenseitigen Abstandes die erhaltene Phasenänderung des Unterschiedsignals 9 ein angemessenes Mass der Lageänderung ist und auch bei verhältnismäs- sig grossen Abständen zwischen dem Kern 1 und dem auf den Magnetfluss einwirkenden Material eine sehr empfindliche Abfühlung bietet. So können Abstandsänderungen der Grössenordnung 1 μΐη in einem Ab stand von 10 mm bestimmt werden, was beträchtlich besser ist als was mit den bisher bekannten Vorrichtungen möglich ist.

Über Änderungen des Abstandes zwischen dem Kern 1 und dem auf den Magnetfluss einwirkenden Material hinaus lassen sich Änderungen in der Seitenlage zwischen Kern und Material bestimmen, falls das Material irgendeine sich quer zu der Seitenlagenveränderung erstreckende Diskontinuität, z.B. in der Form eines Spaltes, eines Flansches oder

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einer Kante, aufv/eist. Hierbei wird vorteilhaft ein Kern von E- ode* Y-Form verwendet. Änderungen in der relativen Winkellage zwischen dem Kern 1 und dem auf den Magnetfluss einwirkenden Material können selbstverständlich ebenfalls bestimmt werden.

Eine Analyse, die für den Fall eines geraden Kerns ausgeführt wurde, zeigt, dass die Phasenänderung des Unterschiedsignals 9 infol ge einer Änderung der Relativlage zwischen dem Kern 1 und dem auf den Magnetfluss einwirkenden Material in erster Linie von Änderungen in der Amplitude des von der dem Material nächst gelegenen Spule auf dem Kern erhaltenen Signals und in zweiter Linie von relativen Phasenänderungen der von den den Magnetfluss abfühlenden Spulen erhaltenen Signale abhängig ist.

Die Erregerspule kann mit Strom von niedriger oder hoher

Frequenz betrieben v/erden. Im ersteren Falle kann ein laminierter Eisenkern verwendet werden, während in dem anderen Falle ein Ferritkern vorzuziehen ist.

Falls der Kern 1 und die an dem Kern montierten Spulen 2-4 Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, werden im Falle der niedrigen Frequenz die Phasen der von den Spulen 3 und 4 erhaltenen Signale im Verhältnis zur Phase der Erregungsspannung kräftig, jedoch übereinstimmend variieren. Damit diese Phasenvariation nicht auf eine abgefühlte Phasenänderung des Unterschiedsignals 9 einwirkt, ist also ein Bezugssignal erforderlich, dessen Phase mit der Temperatur in der gleichen Weise wie die Phasen der von den Spulen 3 und 4 erhaltenen Signale verändert wird. Als Bezugssignal kann demzufolge eine der von den Spulen 3 und 4 erhaltenen Signale verwendet werden oder auch Kann ein besonderes, den Magnetfluss abfühiendes Mittel, z.b. eine Bezugsspule 2' (in Fig. IA durch gestrichelce Linien gezeigt;, auf dem Kern 1, vorzugsweise im Anschluss an die Erregerspule 2 angeordnet werden, um ein Bezugssignal hervorzubringen, im Verhältnis zu welchem -Änderungen in der Phase des Unterschiedsignals bestimmt werden.

Im Hochfrequenzfalle sind die Phasen der von den Spulen 3 und erhaltenen signale nicnt besonders temperaturabhängig infolge der in diesem Falle verhältnismässig hohen Q-Werte der Spulen 3 und 4. Änderungen in der Phase des Unterschiedsignals lassen sich deshalb im Verhältnis zu einem Bezugssignal bestimmen, welches von eir.sr die Erreger spule 2 speisenden Spannung squtilie abgener^an wird.

Wie in Fie, J gezeigt, sind die Spulen 3 und 4 differential an

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einen Verstärkungs- und Amplitudenbegrenzungskreis 10 geschaltet, von dem eine Rechteckwelle mit den Nulldurchgängen des Unterschiedsignals entsprechenden Nulldurchgängen erhalten wird. Der Ausgang des Kreises 10 ist an einen Phasenvergleicher 11 geschaltet, welcher an einen Eingang 12a, 12b auch ein Bezugssignal in der Form einer Rechteckv/olle der gleichen Frequenz wie die des Unterschiedsignals empfängt. Der Phasenvergleicher 11, der ein integrierter Kreis des Typs Fairchild -A796 sein kann, gibt an seinen zwei Ausgängen 13 und 14 zwei Gleichspannungssignale ab, deren Amplituden bei einer relativen Phasenänderung der Phase des Unterschiedsignals und der Phase des Bezugssignals in entgegengesetzten richtungen geändert werden. Die zwei Ausgänge sind an die beiden Eingänge eines Spannungsvergleichers 15 angeschlossen, von welchen Ausgängen der eine an ein Ausgleichelement 16 in der Form eines Potentiometers angeschlossen ist. Mit dem Potentiometer kann somit das Ausgangssignal des Vergleichers 15 auf irgendeinen gewünschten Wert, zweckmässigerweise 0, für einen gewissen Phasenunterschied zwischen der Phase des Unterschiedsignals und der Phase des Bezugssignals voreingestellt werden. An dem Ausgang des Vergleichers 15 erhält man somit ein Gleichspannungssignal, dessen Niveau Änderungen in dem Phasenunterschied zwischen der Phase des Unterschiedsignals und der Phase des Bezugssignals und demzufolge die Grosse der diese Phasenunterschiedsänderung bewirkenden Änderung in der Relativlage zwischen dem Kern 1 und dem Gegenstand aus dem auf den Magnetfluss einwirkenden Material direkt anzeigt.

Wie oben erwähnt, kann der Eingang 12 des Phasenvergleichers mit einem Signal gespeist werden, das von irgendeiner der Spulen 3 und 4, von einer gesonderten, auf dem Kern 1 angebrachten Bezugsspule, z.B. der Spule 2', oder von der Quelle zur Speisung der Erregerspule 2 erhalten wird.

Es sei schliesslich darauf hingewiesen, dass die Bezugs- und Abfühlspulen 3 und 4 in den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung selbstverständlich durch jedes andere den Magnetfluss abfohlendes Glied ersetzt werden können, welches eine dem abgefühlten Magnetfluss eintsprechende Spannung liefert. Somit könnten beispielsweise Hall-Elemente benützt werden. Was die Frequenz der Erregerspannung betrifft sei auch erwähnt, dass eine für die Ausführung mit Eisenkern geeignete Frequenz im Bereich 50-400 Hz liegt, während für die Ausführung mit Ferritkern Frequenzen von bis

zumindest 3 MHz verwendet werden können, wobei die Messempfindlichkeit der erfindungsmässigen Vorrichtung normalerweise mit steigender Frequenz steigt.

Es leuchtet dem Fachmann ein, dass eine Menge Abänderungen der oben beschriebenen Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung möglich sind, weshalb die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen besonderen Ausführungsformen beschränkt ist.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform entspricht im wesentlichen der in Fig. 3 gezeigten und umfasst vier integrierte Kreise ICI - ICIV über die in einem Oszillator und in einer Stroraversorgungseinheit enthaltenen hinaus.

Der integrierte Kreis ICI mit zugehörigen Komponenten entspricht dem Verstärkungs- und Amplitudenbegrenzungskreis 10 in Fig. 3 und sorgt für die Verstärkung und Amplitudenbegrenzung der differential addierten Signale von den Spulen 3 und 4. Auch das Bezugssignal wird beispielsweise auf 1,2 Vg_Ditze__{s itze}amplitudenbegrenzt, bevor es zusammen mit dem Ausgangssignal von ICI dem integrierten Kreis ICH zugeführt wird, welcher ein Phasenvergleicher entsprechend dem Phasenvergleicher 11 in Fig. 3 ist. Der Phasenvergleicher ICH gibt zwei Ausgangssignale ab, die von der gleichen Grosse ist, wenn der Phasenunterschied zwischen den Eingangssignalen 90 ist. Bei einem anderen Phasenunterschied zwischen den Eingangssignalen steht der Unterschied an Grosse zwischen den Ausgangssignalen im linearen Verhältnis zu diesem Phasenunterschied. Bei einem filtrierenden Netz von Widerständen und Kondensatoren werden die Ausgangssignale des Phasenvergleichers ICH dem integrierten Kreis ICIII zugeführt, welcher dem Vergleicher 15 in Fig. 3 entspricht und den Unterschied zwischen den Ausgangssignalen des Phasenvergleichers ICH etwa zehn Mal verstärkt. An dem einen Eingang des Kreises ICIII wird auch eine Spannung von einem Kalibrierungspotentiometer addiert, so dass der Pegel des Ausgangssignals vom Kreis ICIII auf den gewünschten Wert eines gewissen Phasenunterschiedes zwischen den Eingangssignalen zum Phasenvergleicher ICH eingestellt werden kann. In dem integrier ten Kreis ICIV wird eine Nachstellung der. Verstärkung und gegebenenfalls eine Linearisierung bewirkt. Das Ausgangssignal des Kreises ICIV kann einem Sichtanzeigegerät, wie veranschaulicht, oder einem anderen Ausnutzungsgerät zugeführt werden.

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Claims

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Patentanspriiche: yi O? S Λ L

!.'Vorrichtung zur induktiven Abfühlung von änderungen in der Relativlage eines Gegenstandes aus einem auf den Magnetfluss einwirkenden Material und eines ferromagnetischen, vom Gegenstand getrennten Kerns, auf dem eine zur Erzeugung eines magnetischen
Wechselfeldes vorgesehene Erregerspule zwischen zwei den Magnetfluss abfühlenden Mitteln angebracht ist, die gleichfalls auf dem Kern angebracht sind und den abgefühlten Magnetflüssen entsprechende Signale erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des
ferroinagnetischen Kerns (1) und der den Magnetfluss abfühlenden
Mittel (3, 4) eine solche ist, dass die von den den Magnetfluss
abfühlenden Mitteln erzeugten Signale zueinander phasenverschoben sind, und dass ein Phasenvergleicher (11) vorgesehen ist, um ein
Signal, das eine Änderung der Relativlage angibt, durch Vergleich der Phase eines Bezugssignals mit der Phase des Unterschiedes zwischen den von den den Magnetfluss abfühlenden Mitteln erzeugten Signalen zu erzeugen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Magnetfluss r.bfählenden Mittel (3, 4) auf dem Kern U) unsyinmetrisch angeordnet sind.
3. Vorrichtung nac^v Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass €;in Element (5, 6) aus ο inen, auf den Magnetfluss einwirkenden
Material in bezug auf djr. Kern (1) fest angeordnet ist, derart, dass die genannte Phasenverschiebung zwischen den von den den Magnetfluss abfühlenden Mitteln (3, 4) erzeugten Signalen erhalten wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein auf er Kern (1) angeordnetes, den Magnetfluss abfühlendes Mittel zur :"rbeugung des Bezugssignals.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass

ii'h das Mittel (2'), welches das Bezugssignal erzeugt, im Anschluss ■<r -lie Erreuerspule (2) befindet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass CJ- von den einen <?er dan Magnetfluss abfühlenden Mittel (3, 4)
erzeugte Signal d?s Bezuqssignal bildet,
7. Vorrichtung nac'-. Ar-3p^v-:.\ch 1, dadurch tjsjsonnzeichnet, dass eine der Erregersruie (2) aufgedrückte Spannung aas Bezugssignai
bildet.

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