DE2739054C2 - Einrichtung zur Messung einer kleinen Weglänge - Google Patents

Einrichtung zur Messung einer kleinen Weglänge

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Description

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8 lOVmm2
gen der Induktionsspulen in Differentialschaltung umgesetzt wird.
In einer anderen bekannten Meßeinrichtung (US-PS 32 38 479) besteht das Meßelement aus einem gut iehenden Werkstoff mit einer Permeabilität um eins. Es werden diamagnetische (μΓ< 1) wie auch paramagnetische (/ir« 1) Werkstoffe zur Anwendung vorgeschlagen.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die bekannten Meßeinrichtungen nach dem wirbelstromprinzip hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit zu verbessern und dazu Materialkonstanten und Frequenz des Erregerstroms optimal aufeinander abzustimmen.
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 μΓ im Bereich 1 <μΓ< 10 besteht, und daß die Induktionsspule mit einem Erregerscrom gespeist ist, dessen Frequenz f sich aus der Beziehung
20
ergibt, wobei μο die magnetische Feldkonstante, μΓ die relative Permeabilität und σ die elektrische Leitfähigkeit des Meßelementwerkstoffs ist
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Permeabilität des Meßelementwerkstoffs μΓ«3 ist
3. Einrichtung nach 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 μΐη und 60 μιτι liegt.
5. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz /des Erregerstroms zwischen 107 und 108Hz liegt und der Werkstoff für das Meßelement (2) ein legierter Stahl der V4A-Gruppe ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand d zwischen Meßelement (2) und Stirnfläche der Induktionsspule (3) kleiner oder gleich 0,2 mm ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der in einen isolierenden Werkstoff eingebetteten Induktionsspule (3) zu einem umgebenenden Metallgehäuse (5) mindestens 1,5 mm beträgt.
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8 lOVmra2
2 · μο · v-r · ο
ergibt, wobei μο die magnetische Feldkonstante, μΓ die relative Permeabilität und σ die elektrische Leitfähigkeit des Meßelementwerkstoffs ist.
In den erwähnten Permeabilitätsbereiph 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 /1^=3 optimale Ergebnisse zu erzielen sind. Der das elektrische Ausgangssignal der Meßeinrichtung bestimmende Wirkwiderstand der Induktionsspule wird bei bzw. oberhalb der angegebenen Grenzfrequenz für den Erregerstrom frequenzunabhängig, 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 Meßglieds anzusehen, beispielsweise einer Meßmembran oder eines Biegebalkens, wobei die Abmessungen des Meßelements in Richtung der Spulenachse, also seine Dicke, kleiner sein können als die des Meßglieds.
Die Dicke des Meßelements kann ohne Einbuße an Empfindlichkeit auch kleiner sein als dar. frequenzabhängige Eindringmaß
σ = -JlNlnf·μ·σ.
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 Impedanzänderun-Es können so z. B. sehr dünne und damit hochempfindliche Meßmembranen, deren Dicke zwischen 10 μπι und 60 μπι liegt, zur Messung sehr kleiner Drücke in Druckmeßumformern eingesetzt werden.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt und im folgenden beschrieben.
An einem Meßglied 1 greift eine physikalische Meßgröße an, beispielsweise eine Kraft K1 oder eine Kraft K 2, und verschiebt das Meßglied 1 um eine kleine Weglänge s 1 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 dem elektrisch gut leitenden, schwach ferromagnetischen Werkstoff, beispielsweise aus einem Chrom-Nickel-Stahl angeordnet In einem kleinen Abstand rf in der Größenordnung von 10-' bis 10-2mm, vorzugsweise <0,2mm, stehen den Meßelementen 2 die Stirnflächen voi: 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 erläutertei Weise als Differentialschaltung ausgebildet Die Induktionsspulen 3 werden mit einem Erregerstrom relativ hoher Frequenz zwischen 107 und 108 Hz gespeist, die Me3elemente 2 wirken als Kurzschlußwicklung, die je nach Abstand von der Spule diese mehr oder weniger bedampfen, so daß die Wirkwiderstände der Induktionsspulen 3 bzw. deren Differenz ein Maß
für die aus der Nullage des Meßglieds 1 heraus zurückgelegten Weglängen s 1 oder s 2 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 ausgeführt werden kann, so daß sich sehr kompakte, und raumsparende Meßumformer mit optimalem Meßeffekt d. h. mit großer Empfindlichkeit, bauen lassen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. 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 ]0 zum verstellbaren Meßelement ändernde Impedanz ein Maß für die Meßgröße ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (2) aus einem Werkstoff mit einer relativen Permeabilität μΓ im Bereich \<μΓ<\0 besteht, und daß die Induktionsspule (3) mit einem Erregerstrom gespeist ist, dessen Frequenz / sich aus der Beziehung
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