DE3305546A1

DE3305546A1 - Vorrichtung zur kontaktfreien erfassung des abstandes eines metallischen messobjekts von einer sensorspule

Info

Publication number: DE3305546A1
Application number: DE19833305546
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. 7016 Gerlingen Dobler; Hansjörg 7251 Weissach Hachtel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1983-02-18
Filing date: 1983-02-18
Publication date: 1984-08-23

Description

330554g

J837

20. f. 1983 Fb/Kc

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Vorrichtung zur kontaktfreien Erfassung des Abstandes eines metallischen Meßobjekts von einer Sensorspule

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach den sinngemäß übereinstimmenden Gattungen der einander nebengeordneten Ansprüche 1 und 2. Aus der DE-OS 29 k6 062 ist bereits eine Vorrichtung dieser Art bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung läßt sich eine Linearisierung der Meßwertanzeige durch bloße Vervendung einer rechteckförmigen Wechselspannung als Trägersignal in einem sehr engen Abstandsbereich erreichen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit den kennzeichnenden Merkmalen der einander nebengeordneten Ansprüche 1 und 2 haben dagegen den Vorteil, daß eine Linearisierung ier Meßwertanzeige in einem größeren Abstandsbereich erreicht

QFUGINAL INSPECTED

305548 ..^:.^:.-^: ■■"..

37

wird. Gemäß Anspruch 1 wird dabei beim Reihenschwingkreis eine mit wachsender Entfernung zwischen Sensorspule und Meßobjekt linear abnehmende Meßwertanzeige erzielt, gemäß Anspruch 2 dagegen beim Parallelschwingkreis eine mit wachsender Entfernung linear zunehmende Meßwertanzeige. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Gegenstandes nach Anspruch 1 oder 2 bringt Anspruch 3.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 das elektrische Schaltbild der aus der DE-OS 29 ^6 bekannten Vorrichtung zur Erfassung des Abstandes eines metallischen Meßobjekts von einer Sensorspule,

Figur 2 die Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung nach Figur 1 in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Sensorspule und -Meßobjekt, bezogen auf den Wert beim Abstand 0, bei Verwendung einer sinusförmigen Wechselspannung als Trägersignal,

Figur 3 die Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung nach Figur 5b in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Sensorspule und Meßobjekt, bezogen auf den Wert beim Abstand 1, bei erfindungsgemäßer Dimensionierung dieser Schaltung,

Figur 4a das elektrische Schaltbild einer Vorrichtung zur Erfassung des Abstandes eines metallischen Meßobjekts von einer Sensorspule, bei der die Sensorspule nach Figur 1 erfindungsgemäß durch einen Kondensator zu einem Parallelschwingkreis ergänzt ist,

copr

Figur Ub den Scheinwiderstand und den Spannungsabfall an der Sensorspule bei der Schaltungsanordnung nach Figur oder bei der Schaltungsanordnung nach Figur Ua für den Fall, daß der zur Sensorspule parallel liegende Kondensator, der die Spule zu einem Parallelschwingkreis ergänzt, außer Betracht gelassen wird,

Figur 5a die schematische Darstellung der Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung nach Figur Ua in Abhängigkeit von der Trägerfrequenz für zwei ausgewählte, jeweils konstant gehaltene Abstände zwischen Sensorspule und Meßobjekt,

Figur 5b das elektrische Schaltbild einer Vorrichtung zur Erfassung des Abstandes eines metallischen Meßobjekts von einer Sensorspule, bei der die Sensorspule nach Figur "1 erfindungsgemäß durch einen Kondensator zu einem Reihenschwingkreis ergänzt ist,

Figur 5c die schematische Darstellung der Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung nach Figur 5b in Abhängigkeit von der Trägerfrequenz für zwei ausgewählte, jeweils konstant gehaltene Abstände zwischen Sensorspule und Meßobjekt,

Figur 6a den für eine unterkritische Trägerfrequenz bei der Schaltungsanordnung nach Figur 5b angenommenen Verlauf des Reihenschwingkreiswiderstandes ( -ItL -Kurve) und den daraus berechneten Verlauf des durch die Sensorspule fließen den Stroms (mA-Kurve) in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Sensorspule und Meßobjekt,

Figur 6b für eine unterkritische Trägerfrequenz errechnete Verläufe der am Reihenschwingkreis nach Figur 5b abfallenden Spannung in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Sensorspule und Meßobjekt, wobei als Parameter die Summe aus

-λ -

Innenwiäerstand des Generators und Vorwiderstand verwendet wurd e,

Figur T empirische Verläufe der Ausgangs spannung der Schaltungsanordnung nach Figur 5b in Abhängigkeit von der Trägerfrequenz für verschiedene ausgewählte, jeweils konstant gehaltene Abstände zwischen Sensorspule und Meßobjekt zur Ermittlung einer zu einer linearen Meßwertanzeige führenden Trägerfrequenz,

Figur 8 die Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung nach Figur ks. in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Sensorspule und Meßobjekt, bezogen auf den Wert beim Abstand 0, bei erfindungsgemäßer Dimensionierung dieser Schaltung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Zu den bekannten berührungslosen Abstands-Meßmethoden zwischen einem Sensor und einem metallischen Körper gehört das Wirbelstrom-Meßverfahren. Dieses Meßsystem wurde durcii Vereinfachung der Schaltung und Miniaturisierung der Geber so ausgeführt, daß es wirtschaftlich in Serienprodukten, beispielsweise im Kraftfahrzeug, eingesetzt werden kann. Außerdem ermöglicht das so ausgestaltete Meßverfahren die Erfassung bislang nicht meßbarer Vorgänge, wie beispielsweise Wege im Einspritzventil, Kollektorbzw. Drahtaufweitungen an Ankern bei hohen Drehzahlen oder Zahnscheiben-Drehzahlen mit feiner Auflösung auch bei Verschmutzung der Zähne.

In Figur 1 ist das elektrische Schaltbild einer aus der DE-OS 29 ^o 062 bekannten Vorrichtung zur Erfassung des Abstandes eines metallischen Meßobjekts M von einer Sensorspule 10 dargestellt, von der die Erfindung ausgeht.

33055AQ .;.Ο-: i .·■·:-·: ·:

Ein Generator 20 dient zur Erzeugung einer als Trägersignal dienenden Wechselspannung an der Sensorspule Der Generator 20 ist mit seiner einen Ausgangsklemme über einen Vorwiderstand R^ und mit seiner anderen Ausgangsklemme unmittelbar mit der Sensorspule 10 verbunden. An die Sensorspule 10 ist eine Auswerteschaltung 30 angeschlossen, die aus den Schaltungselementen D, C., R_?, R_, Cp besteht. Das spulenseitige Ende des Vorwiderstandes R_v ist dabei über den Gleichrichter D an den Speicherkondensator C^ mit parallelgeschaltetem Entladewiderstand R„ angeschlossen, wobei das andere Ende des Entladewiderstandes R_? an das mit dem Generator 20 unmittelbar verbundene Ende der Sensorspule 10 angeschlossen ist. An dem Verbindungspunkt zwischen dem Entladewiderstand R_p und dem Gleichrichter D liegt der Längswiderstand R_ und der an diesen angeschlossene Querkondensator C_p, der mit seiner anderen Anschlußklemme an das mit dem Generator 20 unmittelbar verbundene Ende der Sensorspule 10 angeschlossen ist. Die abstandsabhängige Ausgangsspannung U wird an dem Querkondensator C_ abgenommen, der zusammen mit dem Längswiderstand R' einen Tiefpaß bildet. Statt dessen kann die abstandsabhängige Ausgangsspannung U bei Weglassung des Tiefpasses R_, C₀ a ic.

auch unmittelbar am Entladewiderstand R„ abgenommen werden.

Bedingt durch den einfachen Aufbau der Auswerteschaltung 30 der Figur 1 ergab sich ein nicht linearer Verlauf der Eichkurve (Figur 2). Diese zeigt, daß die Empfindlichkeit des Meßsystems mit größer werdendem Abstand a abnimmt. Aufgrund dieser Tatsache mußte man bisher beim Messen relativ großer Wege die gewonnenen Spannungswerte mit Hilfe der Eichkennlinie in Weg-Meßwerte umrechnen. Außerdem war eine Weiterverarbeitung der Meßspannungen über einen elektronischen Differenzierer (Umwandlung der

330554a

¥eg- In Geschwindigkeits- oder Beschleunigungs-werte) praktisch nicht realisierbar, da die so ermittelten Werte das Ergebnis zu stark verzerrt dargestellt hätten. Durch eine geringfügige änderung der Schaltung, deren einfacher Aufbau erhalten bleibt, ist es jetzt möglich, über einen relativ großen Bereich einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen Meßspannung und Meßweg herzustellen (Figur und Figur 8).

Anhand der Figuren ka. und ^b wird zunächst das insbesondere aus der DE-OS 29 ^S 062 bekannte Wirbelstromabstandsmeßverfahren für den Fall erläutert, daß als Trägersignal eine sinusförmige Wechselspannung verwendet wird.

Bei der folgenden Betrachtung werden die teilweise in Figur ha. enthaltenen, nachstehend aufgeführten Bezeichnungen verwendet:

R. = Innenwiderstand des Generators 20 R_v s» Vorwiderstand

Z = Scheinwiderstand der Sensorspule 10

C_x. - Parallelkondensator (oftmals bestehend aus dem Geber-Jx

anschlußkabel)

U = Ausgangsspannung des Generators 20 U = Spannungsabfall an der Sensorspule 10

U ?= Ausgangs- (Meß- )Spannung

M = Meßobjekt

f„, = Frequenz der Ausgangsspannung des Generators 20.

Beim Wirbelstrom-Meßverfahren wird zur Meßsignalgewinnung (Figur 4a) ein hochfrequenter, sinusförmiger Wechselstrom (Trägersignal) über einen frequenzabhängigen Spannungs-

BAD

330554a JLO^

40

teiler R_ , Z geleitet; dabei entsteht an der mit dem Scheinwiderstand Z behafteten Sensorspule 10 ein Spannungs-

» Cb

abfall U , dessen Höhe u.a. von der Frequenz f_ und Spannung U des Trägersignals und von der Größe des Scheinwiderstandes Z der Sensorspule 10 abhängt. Da, bedingt

durch den bekannten Wirbelstromeffekt, der Spulenwiderstand Z auch von der Entfernung zwischen dem Geber und dem leitenden Material abhängt, ist U ein Maß für den

CD

Abstand zwischen Geber und Meßobjekt. Bei der in Figur Ua aufgezeichneten Schaltung bestimmt die Größe-von J U den Meßspannungswert U .

Der Scheinwiderstand 'der Spule hängt von der Entfernung zwischen Geber und Meßobjekt ab. Im Diagramm der Figur Ub

ist der Scheinwiderstandsverlauf Z

einer ein- oder mehr-

I g schichtig, spiralförmig gewickelten Sensorspule 10 über dem Abstand a zwischen Geber und Meßobjekt aufgetragen, der sich ergibt, wenn das Meßobjekt aus einem elektrisch leitenden, nicht magnetischen Material besteht und wenn die Frequenz des Trägersignals konstant ist. Dabei entsteht eine nicht lineare Funktion, deren Steigung sich mit größer werdendem Abstand verringert. Bei der in Figur gezeichneten Schaltung nimmt der Spannungsabfall

an der Spule, wenn R,

Verlauf zu

ist, einen nahezu proportionalen

Ist R.. * |£*L erfolgt eine noch etwas

g|· "" "v * |g|^:
stärkere Ausprägung der Kurvenkrümmung, siehe Figur Ub, gestrichelte Linie. Bei sämtlichen Betrachtungen ist vorausgesetzt, daß sich die Höhe der Leerlaufspannung U

Jj

des Generators nicht verändert.

Oftmals wird der Geber durch ein abgeschirmtes Kabel mit der Auswerteschaltung verbunden. Das Kabel wirkt dabei, begründet durch dessen Kapazität, wie ein Kondensator C„

Sx

330554a

183]

-Jt-

(gestrichelt eingezeichnet, Figur Ua). Der Sensorwiderstand verhält sich dann entsprechend einem Parallelschwingkreis-Widerstand, wie aus den Frequenzgangkurven der Figur 5a ersichtlich ist. Dort ist die Ausgangsspannung U

s«

in Abhängigkeit von der Trägerfrequenz f„, (= Frequenz des Wechselstromes, die der Generator liefert) aufgezeichnet. Zum besseren Verständnis wird zunächst davon ausgegangen, daß sich über den gesamten Frequenzbereich U

verhält. Die Kurve "0 mm" ergibt sich, wenn der Geber keinen Abstand zum Meßobjekt aufweist, die Kurve "1,0 mm", wenn der Geber 1 mm vom Meßobjekt entfert ist.

Daraus ist erkennbar: Wird die Auswerteschaltung mit einem Wechselstrom der unterkritischen Frequenz f_. betrieben, so erhält man über dem gesamten Meßbereich (beispielsweise zwischen 0 und 1 mm) eine Ausgangsspannung U ,

Si

die sich mit zunehmender Entfernung zwischen Geber und Meßobjekt vergrößert.

Es besteht auch die Möglichkeit, durch Einfügen eines Kondensators C_n das Meßsystem in einen Reihenschwingkreis zu verwandeln. Die zur Auswertung verwendete Spannung U₁, wird nun allerdings nicht mehr parallel zur Sensorspule 10, sondern zwischen den Punkten A und B abgenommen (siehe Figur 5)« Der prinzipielle Verlauf der Frequenzgangkurven ist in Figur 5c dargestellt, in der, analog zur Figur 5a, die Kennlinien "0 mm" und "1 mm" Abstand eingetragen sind. Obwohl die Spannung U am Sensor 10 mit wachsender Frequenz f_ steigt, verhält sich der für die Messung entscheidende Spannungsabfall U_ zwischen den Punkten A und B entsprechend der Größe

des Reihenschwingkreis-Widerstandes Z_x, (U λ/ U_ anstelle von U ausgewertet wird).

Λ g

da

ORIGINAL

Daraus folgt, daß sich beim Reihenschwingkreis das Verhalten der Ausgangsspannung U über dem Meßbereich (zwischen 0 und 1 mm) gegenüber dem Parallelschwingkreis umkehrt, wenn in beiden Fällen die Schaltung mit einem Wechselstrom der unterkritischen Frequenz f_₁ bzw. frp_R gespeist wird. Der Ausgangsspannungs-Kurvenverlauf weist dieselbe Charakteristik auf wie die in Figur 6a dargestellte Sc. - Kurve; U verkleinert sich

mit größer werdendem Abstand, während gleichzeitig die negative Kurvensteigung abnimmt.

Diese Zusammenhänge gelten nur, wenn R„ ^Z ist, da sich dann der Reihenschwingkreis-Widerstand und- die Meßspannung über dem gesamten Meßbereich in einem nahezu proportionalen Verhältnis zueinander verändern. Andere Ergebnisse bekommt man, wie nachstehende Berechnungen zeigen, wenn R_v kleiner ausgelegt ist.

Beim Berechnungsbeispiel wurde angenommen, daß sich über einem Meßweg von 1 mm der aus dem Wirbelstromgeber Z und dem Kondensator C_n zusammengesetzte Reihenschwingkreis-Widerstand Z_n entsprechend der Jt- -Kurve im Schaubild der Figur 6a ändert, wenn die Auswer'teschaltung mit der unterkritischen Trägerfrequenz f„- betrieben wird. Der Reihenschwingkreis ist nach der in Figur 5b dargestellten Weise verschaltet. Dann gelten, vorausgesetzt, daß die durch den strichpunktiert umrahmten Schaltungsteil 30 ausgehende· Belastung der an

Z_ anliegenden Spannung vernachlässigbar gering ist, η

folgende Beziehungen:

BAD ORIGINAL

330554a

ζΓ · i

- Vö -

(D

(2)

Es sind:

^JR

am Reihenschwingkreis abfallende Spannung (maßgebend für die Größe der Meßspannung U )

Reihenschwingkreis-Scheinwiderstand,

im wesentlichen bestehend aus C_n und Z

R S Stärke des durch den Sensor fließenden

Stroms.

Nach der Beziehung (2) wurde punktförmig die Stromstärke

i j errechnet und in Figur 6a (mA-Kurve) eingetragen, die entsteht, wenn man für R für Z j die vorgegebenen

und

3C-Werte einsetzt. Aus dem Diagramm der Figur 6a erkennt man, daß der Widerstandswert und.die dazugehörende Stromstärke sich gegensinnig verändern. Mit wachsendem Abstand a wird der Scheinwider-

I—*· I ?τ*|

Z_ geringer, während sich der Stromfluß i R I Il

verstärkt.

Entscheidend ist, daß man zur Meßsignal-Gewinnung den

Spannungsabfall

am Reihenschwingkreis benützt, dessen

Größe sich aus dem Produkt

\r\-K\

zusammensetzt. Da sich

J -τ*! ι ^ I

die Faktoren | i | und Z„ mit wachsendem Abstand gegensätzlich verändern, ist es möglich, diese so zu dimensionieren, daß das Produkt U über einem relativ großen Meßbereich in einem nahezu proportionalen Verhältnis zum

\>\\v?f\1\837i

Meßweg a steht. Dies erreicht man durch geschicktes Abstimmen der Widerstandsgrößen von R,_r und Z

zueinander, weil die mit zunehmender Entfernung a vom Meßobjekt geringer werdende Widerstandsänderung Δ"ζΤ

Ά J

(bezogen auf die Wegänderung Δ&) durch einen erhöhten Stromfluß i ausgeglichen wird).

Dies ist in Figur* 6b dargestellt: Dort sind verschiedene Kurven eingezeichnet, deren Verlauf aus den Gleichungen (1) und (2) errechnet wurde. Als Parameter diente dabei R_v . Deutlich erkennt man, daß bei der R = \0SL· -Kurve über einem 0,5 mm großen Bereich ein nahezu linearer Zusammenhang besteht zwischen dem Meßweg a und der an zT anliegenden Spannung U₁,, deren Höhe ein propor-

sx I π j

tionales Verhältnis zur Meßspannungsgröße U aufweist.

a ·

Im folgenden wird als Beispiel die praktische Durchführung der Linearisierung der Meßwertanzeige an einem Wirbelstromgeber mit einem Durchmesser von 12 mm beschrieben. Der Sensor besteht aus einer einschichtigen, spiralförmig gewickelten, 0,2 mm starken Drahtspule.' Um die notwendige Umkehrung der Meßspannung zu erreichen, wurde der Sensor 10 in der in Figur 5b dargestellten Weise mit einem 5βθ pF großen Kondensator zu einem Reihenschwingkreis verschaltet.

Die Ermittlung der Trägerfrequenz f_, die einen proportionalen Zusammenhang zwischen Meßspannung U und Meßweg a

Si

bewirkt, erfolgte mit Hilfe von Freq.uenzgangkurven. Diese entstehen, wenn die aus der Auswerteschaltung 30 gewonnenen Meßspannungen U über der Trägerfrequenz f-, in

einem Diagramm eingetragen werden (F'igur 7). Als Parameter

diente dabei die Entfernung a zwischen Geber und Meßobjekt (θ; 0,5» 1 und 2 mm). Deutlich erkennt man am Verlauf der Kurven, daß U von einem Reihenschwingkreis-Widerstand bestimmt wird. Der vom Schwingkreis-Verhalten tendenziell abweichende Verlauf von U im unteren Fre-

quenzbereich (bis ungefähr 1,U MHz) ist auf den in Figur 5b strichpunktiert umrahmten Schaltungsteil 30 zurückzuführen, der die Gleichrichtung von U₀ besorgt und die

rl

Höhe der Meßfrequenz f_ festlegt. Da die Trägerfrequenz f triTj» cLie ^zum Messen benötigt wird (siehe unten), wesentlich höher ist, beeinflußt diese Tatsache die Linearisierung nicht oder nur unwesentlich. Die Größe von U im

unteren Frequenzbereich ist stark abhängig von der gegenseitigen Abstimmung der im Schaltungsteil 30 vorkommenden Bauelemente. Im übrigen wird davon ausgegangen, daß bei der Trägerfrequenz f_m_, die zur Messung benötigt wird, die dortigen Widerstandsverhältnisse über dem ge

samten Meßbereich so sind, daß U ist.

Bei 3,35 MHz ist der Abstand der "0 mm-Kurve" zu der von "0,5 mm" so groß wie der von "0,5 mm" zu der von "1 mm". Dies ist ein Indiz dafür, daß bei einer Trägerfrequenz von 3,35 MHz die Auswerteschaltung 30 eine lineare Eichkennlinie liefert. Figur 3 bestätigt diese Vermutung: Dort wurde analog zu Figur 2 über einem Meßbereich von 1,0 mm die bei dieser Frequenz ermittelte Eichkurve von einem X-Y-Schreiber aufgetragen. Sie nimmt, wie oben beschrieben, einen umgekehrten Verlauf (vgl. Figur 2). Entscheidend ist, daß der maximale Wert der Linearitätsabweichung über dem gesamten dargestellten Meßbereich nur eine Größe von Ti 1 % erreicht.

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Oftmals ist jedoch eine feststehende, nicht veränderbare Trägerfrequenz f__ vorgegeben. In diesem Falle kann man durch entsprechende Auslegung der Kapazität des Reihen- · schvingkreiskondensators C_ oder der Induktivität der Sensorspule die Resonanzstellen so lange verschieben, bis sich die Charakteristik der Freq.uenzgang-Kurven so verändert hat, daß bei einem vorgegebenen f_m„ ein linearer Meßbereich erreicht "wird. Entsprechendes gilt für die Parallschwingkreis-Schaltung, bei der die Kapazität des Parallelschwingkreis-Kondensators C die von

Λ.

C ersetzt.
R

Das der oben beschriebenen Möglichkeit zugrundeliegende Prinzip, Verringerung des zur Meßwert-Anzeige benützten Widerstandwertes bei wachsender Entfernung zwischen Geber und Meßobjekt sowie Ausnutzung der damit gekoppelten Erhöhung des Stromflusses, läßt sich auch auf andere Weise verwirklichen: Wie Figur 5a zeigt, erreicht man, auch wenn der Geber zu einem Parallelschwingkreis nach Figur Ua geschaltet ist, denselben Effekt, wenn die Auswerteschaltung mit einem Wechselstrom betrieben wird, dessen Frequenz f„,p im überkritischen Bereich liegt.

Grundsätzlich kann diese Meßmethode auch angewendet werden, wenn der Generator anstelle einer sinusförmigen eine rechteckförmige Wechselspannung liefert.

Durch geschickte Dimensionierung der in dem strichpunktiert umrahmten Schaltungsteil 30 vorkommenden elektrischen Bauelemente (Figur Ua bzw. 5b) ist es unter Umständen möglich, den Linearbereich zusätzlich geringfügig zu erweitern, da der Wirkungsgrad der Gleichrichtung der jeweiligen Spannung U in die entsprechende Meßwertspannung U bei niedrigem und hohem Spannungsabfall

an Z-. sich etwas verändert,
η

33055Aa

Verändert sich während der Messung der Winkel, mit dem der Geber zur Oberfläche des Meßobjektes steht, so erhält man nach den bisher bekannten Auswerte-Methoden immer eine unlineare Eichkennlinie. Mit dem oben beschriebenen Verfahren kann auch in diesem Falle eine Linearisierung der Eichkurve erreicht werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, bei Wirbelstrom-Senspren, die zu einem Parallelschwingkreis verschaltet sind (Figur Ua), eine Linearisierung der Meßwert-Anzeige durchzuführen, obwohl die Schaltung mit einem Wechselstrom, der eine unterkritische Frequenz (f , siehe Figur 5a) aufweist, betrieben wird. Dies ergibt sich aus der Beziehung:

ITt

(3)

j.

ττΓ* («c -

Es ist:

Stärke des vom Generator gelieferten

Wechselstroms

Spannung am Geber 10 (= Spannungsabfall

am Parallschwingkreis)

Kreiswiderstand in der Resonanz

2fr i dabei ist f_ die Trägerfrequenz
Induktivität der Geberspule

Schwingkreiskapazität, verursacht durch das Geber-Anschlußkabel oder durch einen parallel

zum Sensor angebrachten Kondensator (C„,

Is.

gestrichelt eingezeichnet, s. Figur h&).

Iß J 7 f

Außerdem ist:

f^ . = Resonanzfrequenz des Schwingkreises,

wenn der Abstand Geber-Meßobjekt unendlich groß ist.

Aus Gleichung (3) ist erkennbar: Zwischen der am Schwingkreis anliegenden Spannung U und der Induktivität L besteht ein positiv überproportionaler Zusammenhang, sofern

f ^ f _ . ausgelegt ist. Außerdem dürfen sich R₁^, C und <·£ ι imm &.

nicht oder nur unwesentlich verändern. Dies ist bei einer Abstandsänderung zwischen Geber und Meßobjekt der Fall, weil sich mit wachsender Entfernung im wesentlichen lediglich die Induktivität L vergrößert. Da die Induktivitäts-

Δ,α, vergrößerung AL (bezogen auf eine Wegänderung 0 mit größer werdendem Abstand immer kleiner wird, andererseits sich jedoch gleichzeitig die Spannung

bezogen auf AL, überproportional steigert, ist es möglich, dieses tendenziell gegensinnige Verhalten so gegeneinander abzustimmen, daß sich ein nahezu proportionaler Zusammenhang zwischen Weg- und Meßwert-Anzeige ergibt.

Diese Betrachtung gilt nur, wenn sich der Stromfluß

während der Messung nicht oder nur "gezielt" unwesentlich verändert. Deshalb sind bei diesem Verfahren immer relativ große Vorwiderstände R erfoderlich. Zusammenfassend ergibt sich, daß man aufgrund der oben beschriebenen Zusammenhänge eine Trägerfrequenz finden kann, mit der über einen relativ großen Meßbereich eine lineare Eichkennlinie erreicht wird, wenn die Größe der elektrischen Werte von R_Tr , C_T. und L geschickt zueinander

ν δ.

abgestimmt sind. Selbstverständlich muß, damit U ^ ***>

ist, der in Figur k& strichpunktierte Schaltungs-

teil entsprechend ausgelegt sein.

Figur 8 zeigt die Eichkurve, die entsteht, wenn mit einem Geber mit Spulendurchmesser 12 mm und Drahtstärke 0,2 mm eine Linearisierung nach diesem Verfahren erfolgt. Analog zu der beim Reihenschwingkreis beschriebenen Arbeitsweise wurde mit Hilfe von Frequenzgangkurven die dazu erforderliche Trägerfrequenz, 3,5 MHz, ermittelt. Die Kennlinie nimmt einen annähernd linearen Verlauf in einem Abstandsbereich zwischen .0,5 und .1,3 mm (technische Daten der Schaltung: R₁₇. = k3lJ£L , C₁₇. S^

ν κ

Um eine bessere Übersichtlichkeit zu erreichen, wurde immer von einem Meßobjekt ausgegangen, das aus einem elektrisch leitenden, nicht magnetischen Material besteht. Bei magnetischen Materialien treffen die beschriebenen Verhältnisse nur bei relativ hohen Trägerfrequenzen zu, da dann der Wirbelstromeffekt größer ist als der magnetostatische Effekt.

Um die rechnerische Darstellung übersichtlicher zu gestalten, wurde die Strommenge, die der strichpunktiert umrahmte Schaltungsteil 30 verbraucht, nicht berücksichtigt, da diese im Regelfall ohnehin vernachlässigbar klein ist.

Claims

18371

20.1.1983 Fb/Kc

ROBEET BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Ansprüche

ί 1.)Vorrichtung zur kontaktfreien Erfassung des Abstandes eines metallischen Meßobjekts von einer Sensorspule mit einem Generator zur Erzeugung einer als Trägersignal dienenden Wechselspannung an der Sensorspule, der mit seiner einen Ausgangsklemme über einen Vorwiderstand (R-.) mit der Sensorspule (10) verbunden ist, wobei das spulenseitige Ende des Vorwiderstandes (R^) über einen Gleichrichter (D) an einen Speicherkondensator (C ) mit parallel geschaltetem Entladewiderstand (R„) angeschlossen ist und wobei das andere Ende des Entladewiderstandes (Rp) an das mit dem Generator unmittelbar verbundene Ende der Sensorspule (10) angeschlossen ist und wobei ferner die abstandsabhängige Ausgangsspannung (U ) am Entladewiderstand (R₀) abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßfrequenz eine Trägerfrequenz verwendet wird, die kleiner als die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist, und daß zur Umkehrung des an der Sensorspule (10) auftretenden Meßsignals (U ) in der Verbindungsleitung zwischen dem Vorwiderstand (R_v) und der Sensorspule (10) ein Reihenkondensator (C„) ange-

ORIGINAL [NSPECTED

I %J

ordnet ist, d.er mit der Sensorspule (1O) einen Reihenschwingkreis "bildet, und daß der dadurch mit größer werdendem Abstand (a) zwischen Sensorspule (10) und Meßobjekt sich in der Sensorspule (10) erhöhende Stromfluß

(i) zur Linearisierung der Meßwertanzeige (U ) durch

• ^a

entsprechende Anpassung der Summe (R„ ) aus dem Innenwiderstand (R.) des Generators und dem Vorwiderstand (R-,τ) an den Scheinwiderstand der Reihenschaltung des

nützt wird.

Reihenkondensators (C_) und der Sensorspule (10) ausge-

Γί

2. Vorrichtung zur kontaktfreien Erfassung des Abstandes eines metallischen Meßobjekts von einer Sensorspule mit einem Generator zur Erzeugung einer als Trägersignal dienenden Wechselspannung an der Sensorspule, der mit seiner einen Ausgangsklemme über einen Vorwiderstand (R ) an die Sensorspule (10) angeschlossen ist, wobei das eine Ende der Sensorspule (10) über einen Gleichrichter (D) an einen Speicherkondensator (C₁) mit parallelgeschaltetem Entladewiderstand (R_p) angeschlossen ist und wobei das andere Ende des Entladewiderstandes (R_?) an das mit dem Generator unmittelbar verbundene Ende der Sensorspule (10) angeschlossen ist und wobei ferner die abstandsabhängige Ausgangsspannung (U ) am Entladewiderstand (R_?) abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßfrequenz eine Trägerfrequenz verwendet wird, die kleiner als die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist, und daß parallel zur Sensorspule (10) ein Parallelkondensator (C„.) geschaltet ist, der mit der Spule einen Parallelschwingkreis bildet, und daß der Kreiswiderstand (R„) des Parallelschwingkreises in der Resonanz, die Induktivität (L) der Sensorspule (l0) und die Kapazität (C^) des Parallelkondensators zueinander derart abgestimmt und an die Summe (R ) der Widerstands-

werte des Innenwiderstandes (R.) des Generators und des Vorwiderstandes derart angepaßt werden, daß sich ein proportionaler Zusammenhang zwischen der Meßspannung (U ) und dem Meßweg ergibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abstandsabhängige Ausgangsspannung (U ) vom Entladewiderstand (R_?) über einen Tiefpaß (R_, C_?) abgenommen wird, der aus einem in Reihe zum Entladewiderstand (Rp) liegenden Längswiderstand (R_), der an den Verbindungspunkt zwischen Entladewiderstand (Rp) ^und-Gleichrichter (D) angeschlossen ist, und aus einem an den Längswiderstand (R-,) angeschlossenen Querkondensator (C₂) besteht.