DE2914769C3

DE2914769C3 - Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung

Info

Publication number: DE2914769C3
Application number: DE2914769A
Authority: DE
Inventors: Seigo Yokohama Ando
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1978-04-11
Filing date: 1979-04-11
Publication date: 1981-09-10
Also published as: US4267508A; GB2019003A; DE2914769B2; FR2422930B1; DE2914769A1; GB2019003B; JPS54134462A; FR2422930A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Abstands von einem metallischen Körper unter Verwendung der im metallischen Körper induzierten Wirbelströme, wobei die Erfindung besonders auf eine Erhöhung des Meßbereichs abzielt.

In der DE-AS 25 49 627 wird eine Vorrichtung angegeben, bei der ein Bezugssignal mit fester Frequenz und Amplitude an den invertierenden Eingang eines Differentialverstärkers angelegt wird, dessen Ausgang an seinen nichtinvertierenden Eingang über eine positive Rückkoppelungsschaltung geführt ist, und das Rückführungssignal ebenfalls an die Meßspule angelegt wird, wodurch der Abstand von einem gegenüber der Meßspule angeordneten metallischen Körper aufgrund der Impedanzänderung der Spule gemessen wird. Wenn die Meßspule bei dieser Vorrichtung eine zylindrische Spule ist, wobei der Meßbereich mit der Erhöhung des Innendurchmessers der Spi·¹? steigt, ist es unmöglich, den innendurchmesser der Spule zu erhöhen, sobald Begrenzungen bezüglich der Abmessungen der zu messenden Gegenstände, des für die Meßeinrichtung verfügbaren Platzes usw. vorliegen. Wenn andererseits eine Zahl von austauschbaren Spulen mit der Meßvorrichtung verwendet wird, ist es vorteilhaft für die

ίο Auslegung der Spulenwickeleinrichtung, wenn alle Spulen möglichst die gleiche Größe besitzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abstandsmessung zu schaffen, die einen vergrößerten Meßbereich ergibt, ohne die Abmessungen der Meßspule zu erhöhen. Dabei soll die Meßgenauigkeit nicht durch Temperaturschwankungen beeinträchtigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Abstandsmeßvorrichtung gelöst, bei der eine Meßschaltung verwendet wird, die in ihrer Grundauslegung die gleiche ist wie bei der in der DE-AS 25 49 627 verwendeten Vorrichtung, bei der jedoch die Meßspule die Form einer zylindrischen Spule mit mehreren stabförmigen magnetischen Teilen von hoher Permeabilität besitzt, die in der Meßspule so angeordnet sind, daß sie an der Innenwand der Spule liegen und in Axialrichtung der Spule verlaufen, wobei sich die stabförmigen magnetischen Teile aus solchen mit positiver Temperaturkennlinie und anderen mit negativer Temperaturkennlinie zusammensetzen, so daß temperaturbedingte Schwankungen der Permeabilität der magnetischen Teile als Gesamtheit betrachtet praktisch auf Null reduziert werden.

Bei der Anordnung einer Zahl von stabförmigen magnetischen Teilen im Inneren der Meßspule läuft ein von der Meßspule infolge eines Bezugssignals erzeugter Magnetfluß durch die magnetischen Teile mit hoher Permeabilität konzentrisch, mit dem Ergebnis, daß die Reichweite des Magnetflusses im Verhältnis zu Fällen, bei denen keine stabförmigen Magnetteile verwendet werden, erhöht wird, wodurch sich auch der Meßbereich erhöht.

Gewöhnlich wird für die stabförmigen magnetischen Teile in Anbetracht der Bezugssignalfrequenz der Meßvorrichtung und der Temperatur der zu messenden metallischen Körper Ferrit-Kernmaterial verwendet, und es ist natürlich möglich, für die stabförmigen magnetischen Teile jedes andere magnetische Material mit hoher Permeabilität zu verwenden.

Die Zahl der stabförmigen magnetischen Teile setzt sich aus solchen zusammen, deren ursprüngliche Permeabilitätskennlinie in Abhängigkeit von der Temperatur positiv ist, und aus anderen, bei denen diese Kennlinie negativ ist, mit dem Ergebnis, daß die Gesamtpermeabilität nicht durch Temperaturänderungen beeinflußt wird und demzufolge die Meßgenauigkeit durch Temperaturänderungen der stabförmigen magnetischen Teile nicht verschlechtert wird.
Die stabförmigen magnetischen Teile sollen vorzugsweise im Innern der Meßspule in gleichen Abständen in Umfangsrichtung der Spule angeordnet werden, wodurch es möglich wird, eine gleichmäßige Verteilung der Flußdichte in Umfangsrichtung der Meßspule sicherzustellen.

6^ς Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schaltplan, aus dem der grundsätzliche Schaltungsaufbau einer Vorrichtung zur Abstandsmes-

;ung hervorgeht;

Fig.2 einen Längsschnitt durch eine zylindrische vießspule;

F i g. 3 einen Längsschnitt durch die bei einer \usführungsform der Erfindung verwendete Meßspule;

Fig.4 eine typische Meß-Kennlinie, bei der der \bstand D (cm) in der Abszisse und die gemessene ■\usgangsspannung Vo (V) in der Ordinate abgetragen ist;

Fig.5 eine Unteransicht der Meßspule von Fig.3, ;o gesehen in Richtung der Linie V V, und

F i g. 6 eine Übersicht der Meßspule in einer anderen Ausführungsform der Erfindung in der gleichen Blickrichtung.

In Fig. 1 wire ein Grundsatz-Schaltplan einer Vorrichtung zur Abstandsmessung dargestellt, wobei der Schaltungsaufbau der gleiche ist wie er in der DE-AS 25 49 627 vorgeschlagen wurde. Im folgenden wird das Arbeitsprinzip dieser Schaltung beschrieben. Die Bezugszahl 1 bezeichnet einen zu messenden metalllischen Körper, 2 einen Vergleichsoszillator zur Erzeugung eines Wechselstrom-Bezugssignals mit fester Frequenz und Amplitude, 3 einen Differentialverstärker, 4 eine Meßspule mit einer Impedanz Zq und 10 ein Rückkopplungsglied mit einer Impedanz Z₅. Der Vergleichsoszillator 2 ist mit dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 3 verbunden, und das Rückkopplungsglied 10, das den Ausgang des Differentialverstärkers zurückführt, ist zusammen mit einem Ende der Meßspule 4 an den nichtinvertierenden Eingang des Differentialverstärkers 3 angeschlossen, um eine positive Rückkoppelungsschaltung zu bilden. Das andere Ende der Meßspule 4 ist geerdet.

Der Verstärkungsgrad A des Verstärkers 3, dessen positive Rückkopplungsschaltung durch die Impedanz Z₅ des Rückkoppelungsgliedes 10 und die Impedanz Zo der Meßspule 4 gebildet wird, ergibt sich durch folgende Gleichung aus dem Verstärkungsgrad C des Verstärkers 3 ohne Rücickoppelung und aus dem RückkoppelungsfaktorjS = Z₀Z(Z₅ + Z₀)

A = G/(l - Gß)

Wenn der Vergleichsoszillator 2 ein Ausgangssignal mit fester Frequenz und Amplitude erzeugt und dem Verstärker 3 zuführt, verstärkt der Verstärker 3 die angelegte Spannung und führt sie der Meßspule 4 durch das Rückkoppelungsglied 10 zu. Daraufhin erzeugt die Meßspule 4 ein magnetisches Wechselfeld, so daß der entsprechende Magnetfluß den zu messenden metallischen Körper 1 durchdringt und damit in die Schaltung so einbezieht, und seine Rückwirkung verursacht eine Änderung der Impedanz Zo der Meßspule 4.

Diese Änderung der Impedanz Zb steht in Beziehung zum Abstand zwischen der Meßspule 4 i«nd dem metallischen Körper 1, und demzufolge ändert sich die Ausgangsspannung des Verstärkers 3 entsprechend. Demnach ist es durch Messen dieser Ausgangsspannung des Verstärkers möglich, eine berührungslose Messung des Abstands zwischen der Meßspule 4 und dem metallischen Körper 1 durchzuführen.

F i g. 2 zeigt eine Meßanordnung 6 mit einer zylindrischen Spule 4, die der Meßspule Ί· in F i g. 1 entspricht, und mit einein zylindrischen Spuli:nkörper 5, dessen Material ein Bakelitrohr, ein magnetisches Rohr, ein Keramikrohr oder dergleichen ist, worauf die Spule gewickelt wird. Die Bezugszahl 7 bezeichnet das von der Meßspule 4 aufgrund eines Bezugssignals erzeugte masnetische Wechselfeld.

In F i g. 4 zeigt die Kurve (a) das Ergebnis der Abstandsmessung des metallischen Körpers 1 unter Verwendung der Meßanordnung 6 gemäß der in F i g. 1 gezeigten Grundschaltung.

Wenn auch im allgemeinen bei einer Meßspule 4 mit zylindrischer Form der Meßbereich durch eine Vergrößerung des Innendurchmessers D der Spule erhöht werden kann, gibt es Fälle, in denen der Innendurchmesser Oder Spule je nach den Meßbedingungen nicht nach Wunsch vergrößert werden kann.

F i g. 3 zeigt eine Meßanordnung 6 in Verbindung mit einer Ausführungsform der Erfindung. Die Bezugszahl 8 bezeichnet magnetische Teile in Stabform mit hoher Permeabilität, z. B. Ferritkerne, und eine Zahl (4 in der Abbildung) dieser magnetischen Teile ist an der Innenwand eines zylindrischen Spulenkörpers 5 in Axialrichtung der Spule angeordnet. Wenn die in F i g. 3 gezeigte Meßspule 4 mit der in F i g. 1 gezeigten Rückkoppelungsschaltung des Verstärkers 3 verbunden und als Abstandsmeßglied verwendet wird, erzeugt die Meßspule 4 ein Wechselfeld 7. Aufgrund der stabförmigen magnetischen Teile 8 kann sich das Wechselfeld 7 auf eine größere Entfernung erstrecken als im Fall der in Fig.2 gezeigten Spule mit Luftkern. Infolgedessen können selbst dann, wenn der Abstand zwischen der Meßspule 4 und dem metallischen Körper 1 vergrößert wird, wirksame Wirbelströme im metallischen Körper 1 erzeugt und somit der Meßbereich im Verhältnis zur Spule mit Luftkern erhöht werden. In F i g. 4 zeigen die Kurven (b) bzw. (c) die Meßkennlinien, wobei die Zahl der verwendeten stabförmigen magnetischen Teile 8 in einem Fall 1 und im anderen 4 betrug. Wie ersichtlich, wirkt sich der Einsatz der stabförmigen magnetischen Teile 8 so aus, daß der geradlinige Teil der Meßkennlinie vergrößert und somit der Meßbereich auf das 1,5- bis 2fache der herkömmlichen Kennlinie von Kurve (a) erhöht wird.

Während jedoch der Meßbereich durch den Einsatz der stabförmigen magnetischen Teile 8, z. B. von Ferritkernen, erhöht werden kann, wird der Meßwert durch die Temperaturkennlinie der stabförmigen magnetischen Teile beeinflußt, wodurch die Meßgenauigkeit verschlechtert wird. Insbesondere ergibt sich ein schwerwiegender Meßfehler unter Umgebungsbedingungen, bei denen die Temperatur der magnetischen Teile starken Schwankungen unterliegt.

Bis heute haben die Hersteller von magnetischen Werkstoffen verschiedene Forschungsarbeiten durchgeführt, um magnetische Werkstoffe zu finden, deren Permeabilität sich bei Temperaturschwankungen in geringerem Ausmaß ändert, und es ist schwer, die Möglichkeit von Permeabilitätsänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen allein durch Verbesserung der Eigenschaften dieser magnetischen Teile vollkommen auszuschalten.

In Anbetracht der Temperaturkennlinien dieser magnetischen Teile werden erfindungsgemäß, wie in F i g. 5 gezeigt, stabförmige magnetische Teile 8a bis 8d mit Temperaturkennlinien von verschiedener Polarität, d. h. eine Gruppierung von magnetischen Teilen mit positiver Temperaturkennlinie und solchen mit negativer Temperaturkenniinie, so an der Innenwand des zylindrischen Spulenkörpers 5 angeordnet, daß sie in gleichen Abständen in Umfangsrichtung der Spule liegen.

Bei den stabförmigen magnetischen Teilen 8a bis 8d kann z. B. ein Ferritkern mit positiver Temperaturkennlinie für die Teile 8a und 8c, und ein Ferritkern mit

negativer Temperaturkennlinie für die Teile Sb und Sd verwendet werden, wobei die letzteren zwischen den ersteren angeordnet sind und damit in ihrer Gesamtheit sämtliche Permeabilitätsänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen ausschalten.

In diesem Fall müssen die stabförmigen magnetischen Teile Sa bis Sd vorzugsweise so gewählt werden, daß ihre Temperaturkoeffizienten den gleichen Absolutwert aufweisen und daß die Zahl der Teile mit positiver Temperaturkennlinie vorzugsweise die gleiche ist wie ι ο diejenige der Teile mit negativer Temperaturkennlinie.

Auf diese Weise wird die Meßgenauigkeit selbst dann nicht verschlechtert, wenn sich die Temperatur der Meßspule 4 ändert, wodurch eine stabile Abstandsmessung sichergestellt wird.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform werden zwei Paare von magnetischen Teilen mit positiven bzw. negativen Temperaturkennlinien verwendet, doch bleibt die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.

Andererseits können die magnetischen Teile 8a bis Sd mit nichtmetallischem Material 9 (Metali oder Isoliermaterial) befestigt werden, das zusammen mit den magnetischen Teilen an der Innenwand des zylindrischen Spulenkörpers angebracht oder eingegossen wird, wie in F i g. 6 gezeigt.

Die Querschnittsform der stabförmigen magnetischen Teile Ha bis Sd wird in keiner Weise eingeschränkt; sie können die Form von runden Stäben, eckigen Stäben und dergleichen aufweisen.

Wie gezeigt wurde, ergeben sich aus der Erfindung trotz ihres einfachen Aufbaues erhebliche Vorteile.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung, bestehend aus einem rückgekoppelten Verstärker mit einer Rückkoppelungsschaltung, die mit einer gegenüber einem zu messenden metallischen Körper angeordneten Meßspule verbunden ist, und aus einem Vergleichsoszillator zum Anlegen eines Bezugssignals mit vorbestimmter Frequenz und Amplitude an den rückgekoppelten Verstärker, wobei aufgrund einer Impedanzänderung dieser Meßspule in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Meßspule und dem metallischen Körper der Verstärkungsfaktor des rückgekoppelten Verstärkers gesteuert wird, um den Abstand zwischen der Meßspule und dem gegenüberliegend angeordneten metallischen Körper als Funktion der Amplitude eines Ausgangssignals des rückgekoppelten Verstärkers zu messen, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule aus einer zylindrischen Spule besteht, in der mehrere stabförmige magnetische Teile mit hoher Permeabilität so angeordnet sind, daß sie an der Innenwand derselben in Axialrichtung der Meßspule liegen, und daß einige der stabförmigen magnetischen Teile eine positive Temperaturkennlinie aufweisen, während der Rest dieser magnetischen Teile eine negative Temperaturkennlinie besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmigen magnetischen Teile mit positiver Temperaturkennlinie in gleichen Abständen in Umfangrichtung der Meßspule angeordnet sind, und daß die stabförmigen magnetischen Teile mit negativer Temperaturkennlinie zwischen den stabförmigen magnetischen Teilen mit positiver Temperaturkennlinie in gleichen Abständen in Umfangrichtung angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der stabförmigen magnetischen Teile mit positiver Temperaturkennlinie mit einem zugeordneten stabförmigen magnetischen Teil mit negativer Temperaturkennlinie ein Paar bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule auf einen zylindrischen Spulenkörper gewickelt ist und daß die stabförmigen magnetischen Teile an einer Innenwand des Spulenkörpers mit nichtmagnetischem Material befestigt sind.