DE2739054A1

DE2739054A1 - Einrichtung zur messung einer kleinen weglaenge

Info

Publication number: DE2739054A1
Application number: DE19772739054
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr Ing Nuernberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-08-30
Filing date: 1977-08-30
Publication date: 1979-03-15
Also published as: JPS5447673A; DE2739054C2

Description

Einrichtung zur Messung einer kleinen Weglänge
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung einer kleinen Weglänge nach dem Wirbelstromprinzip, mit einem von einer physikalischen Meßgröße wegabhängig verstellbaren Meßelement aus einem Werkstoff niedriger Permeabilität und hoher Leitfähigkeit und einer mit diesem induktiv gekoppelten, wechselstromerregten Induktionsspule, deren sich mit dem Abstand zum verstellbaren Meßelement ändernde Impedanz ein Maß für die Meßgröße ist.
Eine derartige Einrichtung kann beispielsweise in einer Meßzelle für Druck oder Differenzdruck zur Anwendung kommen (DT-OS 21 64 896), dort ist die Meßmembran das Meßelement, deren vom Wirkdruck verursachte Auslenkung aus der Mittellage die kleine Weglänge ist, die in proportionale Impedanzänderungen der Induktionsspulen in Differentialschaltung umgesetzt wird.
In einer anderen bekannten Meßeinrichtung (US-PS 3 238 479) besteht das Meßelement aus einem gut leitenden Werkstoff mit eine Permeabilität um eins. Es werden diamagnetische (iur< 1) wie auch paramagnetische (/uhr 1) 1 ) Werkstoffe zur Anwendung vorgeschlagen.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die bekannten MeBeinrichtungen nach dem Wirbelstromprinzip hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit zu verbessern und dazu Materialkonstanten und Frequenz des Erregerstroms optimal aufeinander abzu8tismen.
Eine Lösung dieser Aufgabe wird in einer Einrichtung der eingangs genannten Art gesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Meßelement aus einem Werkstoff mit einer relativen Permeabilität /ur im Bereich 1 <µr < 10 besteht, und daß die Induktionsspule mit einem Erregerstrom gespeist ist, dessen Frequenz sich aus der Beziehung 2# f . µr . # = konst.
ergibt, wobei /Ur die relative Permeabilität und a die elektrische Leitfähigkeit des Meßelementwerkstoffs sind. In den enzähnten Permeabilitätsbereich fallen eine Reihe von schwach ferromagnetischen Stoffen, wie z. B. Chrom-Nickel-(V4A-)Stähle.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß mit einem Werkstoff mit einer Permeabilität µr #3 optimaleErgebnisse zu erzielen sind.
Weiter wurde gefunden, daß der das elektrische Ausgangssignal der Meßeinrichtung bestimmende Wirkwiderstand der Induktionsspule oberhalb 2n f . /u . a = 8 103/mm2 von der Speisefrequenz f unabhängig wird, womit auch aus dieser Richtung kommende Störkomponenten unwirksam werden.
Als Meßelement ist der der Stirnfläche der Induktionsspule gegenüber in einem kleinen Abstand angeordnete und mit ihr in Wechselwirkung stehende Teil eines MeBglieds anzusehen, beispielsweise einer Meßmembran oder eines Biegebalkens, wobei die Abmessungen des Neß.1ents in Richtung der Spulenachse, also seine Dicke, kleiner sein können als die des Meßglieds.
Die Dicke des Meßelementa kann ohne Einbuße an Empfindlichkeit auch kleiner sein als das frequenzabhängige Eindringmaß Es können so z. B. sehr dünne und damit hochempfindliche Meßmembranen, deren Dicke zwischen 10 µm und 60 µm liegt, zur Messung sehr kleiner Drücke in Drucknießumformern eingesetzt werden.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur ein AusfUhrungsbeispiel schematisch dargestellt und im folgenden beschrieben.
An einem Meßglied 1 greift eine physikalische Meßgröße an, beispielsweise eine Kraft K1 oder eine Kraft K2, und verschiebt das Meßglied 1 um eine kleine Weglänge s1 bzw. s2 in die eine oder andere Richtung.
Diese Weglängen bzw. Weglängenänderungen sind in proportionale elektrische Signale umzusetzen. Bei dem dargestellten induktiven Wegabgriff nach dem Wirbelstromprinzip sind zu diesem Zweck auf gegenüberliegenden Flächen des Meßglieds 1, das aus einem nichtmagnetischen, schlecht leitenden Werkstoff bestehen kann, Meßelemente 2 aus einem elektrisch gut leitenden, schwach ferromagnetischen Werkstoff, beispielsweise aus einem Chrom-Nickel-Stahl angeordnet. In einem kleinen Abstand d in der Größenordnung von 10 1 bis 10'2 mm, vorzugsweise = 0,2 mm, stehen den Meßelementen 2 die Stirnflächen von Induktionsspulen 3 gegenüber, die als Leiterspiralen ausgeführt und in den Oberflächen von sie umgebenden Isolationsschichten 4 eingebettet sind. Um den Meßeffekt zu vergrößern, ist die Meßanordnung in bekannter und hier nicht näher erläuterter Weise als Differentialschaltung ausgebildet.
Die Induktionsspulen 3 werden mit einem Erregerstrom relativ hoher Frequenz zwischen 107 und 108 Hz gespeist, die Meßelemente 2 wirken als Kurzschlußwicklung, die je nach Abstand von der Spule diese mehr oder weniger bedämpfen, so daß die Wirkwiderstände der Induktionsspulen 3 bzw. deren Differenz ein Maß für die aus der Nullage des Meßglieds 1 heraus zurückgelegten Weglängen s1 oder s2 ist.
Um unter den genannten Betriebsbedingungen eine Bedämpfung durch das die Meßeinrichtung umgebende Metallgehäuse 5 zu vermeiden, ist die Dicke der Isolierschicht 6, die aus Glas oder Kunststoff bestehen kann, so zu bemessen, daß der Abstand von Induktionsspule 3 zu dem Metallgehäuse 5 nirgends kleiner als 1,5 mm ist.
Wie bereits erwähnt, kann ein derartiger Abgriff auch in einer Differenzdruck-Meßzelle angewendet werden, wobei die am Rand eingespannte und unter dem Einfluß des Differenzdrucks ausgelenkte Meßmembran mit ihrem Mittelteil gleichzeitig das Meßelement bildet und sehr dünn ausgefUhrt werden kann, so daß sich sehr kompakte und raumsparende Meßuifo:r mit optimalen Meßeffekt, d. h. mit großer Zipfindlichkeit, bauen lassen.
Leerseite

Claims

Patentansprüche ()iC'Einrictung zur Messung einer kleinen Weglänge nach dem 'iirbelstromprinzip, mit einem von einer physikalischen Meßgröße wegabhängig verstellbaren Meßelement aus einem Werkstoff niedriger Permeabilität und hoher Leitfähigkeit und einer mit diesem induktiv gekoppelten, wechselstromerregten Induktionsspule, deren sich mit dem Abstand zum verstellbaren Meßelement ändernde Impedanz ein Maß für die Meßgröße ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Meßelement (2) aus einem Werkstoff mit einer relativen Permeabilität /Ur im Bereich 1c /ur < 10 besteht, und daß die Induktionsspule (3) mit einem Erregerstrom gespeist ist, dessen Frequenz f sich aus der Beziehung 2n f /Ur a = konst.

ergibt, wobei /Ur die relative Permeabilität und a die elektrische Leitfähigkeit des Meßelementwerkstoffs ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Permeabilität des Meßelementwerkstoffs /ur # 3 ist.
3. Einrichtungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Meßelements (2), gemessen in Richtung der Spulenachse, kleiner ist als das Eindringmaß.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Meßelements (2) zwischen 10/um und 60/um liegt.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz f des Erregerstroms größer oder gleich ist wobei /UO die magnetische Feldkonstante ist.
6. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden ßnsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz f des Brregerstroms zwischen 107 und 108 Hz liegt und der werkstoff für das Meßelement (2) ein legierter Stahl der V4A-Gruppe ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand d zwischen Meßelement (2) und Stirnfläche der Incuktionsspule (3) kleiner oder gleich 0,2 mm ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der in einen isolierenden Werkstoff eingebetteten Induktionsspule (3) zu einem umgebenden Metallgehäuse (5) nindestens 1,5 mm beträgt.