DE3409448A1

DE3409448A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des abstandes einer magnetischen sonde von einer leitfaehigen reaktionsschiene

Info

Publication number: DE3409448A1
Application number: DE19843409448
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 8031 Maisach Grosser; Gerhard Dipl.-Ing. 8000 München Holzinger; Jürgen Dipl.-Ing. Dr. 8011 Baldham Meins
Original assignee: Thyssen Industrie AG
Current assignee: ThyssenKrupp Transrapid GmbH
Priority date: 1983-03-16
Filing date: 1984-03-15
Publication date: 1984-09-20
Also published as: DE3409448C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes einer magneti-
schen Sonde von einer leitfähigen Reaktionsschiene Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Abstandes eines Sensors bezüglich einer leitfähigen Reaktionsschiene, insbesondere zur Anwendung bei magnetischen Lagern oder magnetischen Schwebeeinrichtungen, wie sie zur Lageregelung von Trag- und Führmagneten in der Magnetfahrtechnik Anwendung finden, unter Verwendung eines sensorseitigen Spulensystems, welches ein zeitlich wechselndes Magnetfeld erzeugt, wobei zur Bestimmung des Abstandes die Rückwirkungen von in der Reaktionsschiene induzierten Wirbelströmen herangezogen werden. - Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die berührungslose Messung eines Abstandes ist bereits vielfältig untersucht worden. Bei einem bekannten Verfahren (DE-OS 28 03 877) wird die abstandsabhängige magnetische Kopplung zweier Spulen ausgenutzt. Nachteilig dabei ist die große Empfindlichkeit gegenüber der die Spulen anregenden Frequenz sowie gegenüber äußeren magnetischen Feldern. Ungünstig ist auch eine Beeinflussung des zum Aufbau des Sensors verwendeten ferromagnetischen Materials durch äußere magnetische Felder, weil dadurch auch das Meßfeld beeinflußt wird (DE-OS 32 37 843). In der Regel erstrecken sich die Sensoren auch über mehrere Felder der genuteten Reaktionsschiene (DE-OS 29 16 289).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahrens und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung so zu verbessern, daß ein hoher Nutzspannungspegel entsteht, der gegenüber äußeren elektrischen Feldern und Potentialschwankungen unempfindlich ist, daß der Einfluß systembedingter magnetischer Felder gering ist und daß Abbildungen der genuteten Reaktionsschiene im Meßsignal weitgehend reduziert sind.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung dadurch gelost, daß änderungen der Induktivität des gesamten Spulensystems dadurch keinen Einfluß auf das abstandsabhängige Signal ausüben, daß der induktive Blindwiderstand des zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes verwendeten Spulensystems kompensiert wird.
Bei diesem Verfahren wird die magnetspaltabhängige Bedämpfung des- magnetischen Wechselfeldes durch Wirbelstromeffekte der Reaktionsschiene.
ausgenutzt. Das zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes verwendete Spulensystem kann so ausgebildet werden, daß bezüglich elektrischer Felder Neutralität herrscht. Bei entsprechender Gestaltung der zum Aufbau des Sensors verwendeten Spulen läßt sich eine Verteilung der magnetischen Feldkomponenten erreichen, bei der ein hoher, in Normalrichtung auf die Ebene der Reaktionsschiene treffender Feldanteil zur Abstandsmessung herangezogen werden kann. Es hat sich -gezeigt, daß auch partielle Beschädigungen der Nuten bzw. Zähne der Reaktionsschiene nur einen geringen Einfluß auf das Meßsignal besitzen.
Insbesondere bei der Bestimmung des Abstands eines Magneten eines Magnetschwebefahrzeuges von einer das Fahrzeug tragenden und führenden ferromagnetischen Schiene, bei dem der mit dem Magneten fest verbundene Sensor ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das in der.Schiene die Wirbelströme induziert, deren Rückwirkungen auf den Sensor zur Abstandmessung benutzt werden, ist eine Ausführungsart des Verfahrens vorteilhaft, bei dem die Frequenz des vom Sensor erzeugten Wechselfeldes so geregelt wird, daß der aus induktiven und kapazitiven Anteilen bestehende Blindwiderstand, der aus den Spulen des Sensors m-it der diesen mit dem zu bestimmenden Abstand gegenüberliegenden Schiene und aus Kondensatoren des Sensors gebildet wird, zu Null wird, wobei die Rückwirkung auf den Sensor durch die Beeinflussung der Induktivität und der der Verluste von dessen Spulen durch die Wirbelströme in der Schiene erfolgt und bei dem die Spannung an einer der Spulen des Sensors nach Gleichrichtung und Glättung als Meßgröße für den Abstand dient.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen des Sensors über einen in Parallel - oder Reihenschaltung betriebener Kondensator gekoppelt sind, - wodurch es möglich ist, den induktiven Blindwiderstand des aus den beiden Spulen gebildeten Spulensystems annähernd zu kompensieren.
Weitere Schwankungen lassen sich dadurch beseitigen, daß eine Regel ein richtung zum Beeinflussen der Frequenz der das Spulensystem speisenden Wechselspannung vorgesehen wird. Die Regeleinrichtung kann einen Kondensator aufweisen, dessen Eingang und Ausgang an einem Multiplizierer anliegen, wobei der Ausgang des Multiplizierers einen Regler beaufschlagt, der die Frequenz einer Wechselspannungsquelle steuert, an die der Kondensator angeschlossen ist. Dadurch wird die Frequenz der das Spulensystem speisenden Wechselspannung so beeinflußt, daß der induktive Blindwiderstand des Spulensystems des Sensors mit Hilfe des in Parallel- oder Reihenschaltung betriebenen Kondensators in allen Betriebspunkten vollständig kompensiert wird Für den Aufbau des Spulensystems ist es vorteilhaft, wenn jeweils zwei Spulen des Sensors gegensinnig gewickelt sind, wobei nach bevorzugter Ausführung die Leiter der Spulen im wesentlichen nebeneinander und parallel zueinander angeordnet.sein sollen. Dadurch wird erreicht, daß sich die von jedem Spulensystem erzeugten elektrischen Felder in ihrer Summe kompensieren. äußere elektrische Felder können keinen Einfluß auf das Meßsignal haben.
Um den magnetischen Fluß zur Reaktionsschiene zu konzentrieren, können mehrere längs der Reaktionsschiene nebeneinander angeordnete Spulensysteme aus zwei miteinander magnetisch gekoppelten Spulen vorgesehen werden.
Die Verteilung des magnetischen Flusses quer zur Reaktionsschiene kann dadurch beeinflußt werden, daß jedes Spulensystem aus einer Mehrzahl von quer zur Reaktionsschiene angeordneten Einzelspulen besteht.
Um Auswirkungen einer temperaturabhängigen Änderung des Spulenwiderstandes auf das Meßsignal zu verringern oder zu vermeiden, kann dem Spulensystem für die Abstandsmessung ein Spulensystem mit senkrecht zu dessen Spulen angeordneten Temperaturkompensationsspulen zugeordnet sein. Dessen Spannung wird dann gegen die Spannung des Abstandsmessungssystems geschaltet, wodurch der Temperatureinfluß eliminiert wird. Die Temperaturkompensationsspulen sind durch die senkrechte Anordnung zu den Abstandsmeßspulen unabhängig vom Abstand von der Reaktionsschiene.
Eine einfachere Möglichkeit sieht die Parallel- oder Reihenschaltung eines temperaturabhängigen Widerstandes zum Spulen.system -vor, um die Güte des das Meßfeld erzeugenden Spulensystems von der Temperatur unabhängig zu halten.
Die Sonde läßt sich ohne weiteres jeweils zwischen zwei Magnetpolen des Tragmagneten anordnen, so daß sich die jeweilige Messung nur über einen Bereich von einer Nutteilung der dem Tragmagneten gegenüberliegenden Reaktionsschiene erstreckt. Eine Vergrößerung des effektiven Magnetspaltes für die Unterbringung der Sonde wird dadurch vermieden.
Das Spulensystem oder die Spulensysteme und gegebenenfalls zugeordnete Temperaturkompensationsspulen können in einem zur Reaktionsschiene hin offenen Gehäuse aus leitfänigem Material untergebracht sein. Dieses Gehäuse, welches aus Metall, insbesondere aus Aluminium, bestehen kann, hat eine abschirmende Wirkung derart, daß die Verteilung und Änderung des für Meßzwecke verwendeten magnetischen Feldes ausschließlich vom Einfluß der durch das magnetische Feld selbst erzeugten Wirbelströme in der Reaktionsschiene abhängt.
Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführuligsbei.
spiel der Erfindung erläutert; es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Ersatzschaltbild eines Sensors zur Bestimmung des Abstandes einer magnetischen Sonde von einer leitfähigen Rcaktionsschiene, Fig. 2 in schematischer Darstellung den Aufbau eines Spulensystems aus zwei magnetisch miteinander gekoppelten Spulen, Fig. 3 ein Blockschaltbild des Sensors nach Fig. 1 mit zugeordnetem Regelkreis, Fig. 4 in schematischer Darstellung einen Querschnitt sowie einen Längsschnitt durch einen unterhalb einer Reaktionsschiene angeordneten Sensor, Fig. 5 eine perspektivische, schematische Darstellung eines Sensors mit einem Tragmagneten und einer Reaktionsschiene in seitlich versetzter Darstellung.
Der in der Zeichnung dargestellte Sensor kann beispielsweise zur Messung des Abstandes der magnetischen Pol schuhe einer magnetischen Schwebebahn von der Unterseite der zugeordneten Reaktionsschiene eingesetzt werden.
Die prinzipielle, räumliche Anordnung nach Figur 5 zeigt zur deutlicheren Darstellung einen Tragmagneten 28, die senkrecht über diesem befindliche Reaktionsschiene 25 und den Sensor mit Spule 21, 22 seitlich dazu versetzt. Die tatsächliche Anordnung erhält man, wenn man den Sensor nach rechts zwischen die Pol schuhe des Tragmagneten 28 verschiebt. Zum Sensor gehören zwei magnetisch gekoppelte Spulen 10,11 mit zugeordneten, jeweils parallel geschalteten Kondensatoren 12, 13. Die Spulen 10, 11 werden Uber einen weiteren Kondensator 14 aus einer -Wechsel spannungsquelle 15 gespeist. Die am Kondensator 14 anliegenden Spannungen werden einem Multiplizierer 16 zugeführt, dessen Ausgangssignal einen Gleichspannungsanteil enthålt, dessen Amplitude und Vorzeichen abhängig ist von der Größe der induktiven bzw. kapazitiven Widerstandskomponente der Anordnung. Der Gleichspannungsanteil des Multiplizierers 16 wird einem Regler li zugeführt, der dieses Signal verarbeitet und der Wechselspannungsquelle 15 zuführt, um eine Frequenzänderung der das Spulensystem 10, 11 speisenden Spannung derart zu bewirken, daß die Blindkomponente des Widerstandes der aus den Elementen 10, 11, 12, 13bestehenden Anordnung auf Null geregelt wird.
Als Maß für die gesuchte Abstandsinformation wird die Größe der an der Spule 10 vorhandenen Spannung herangezogen. Diese Spannung ändert sich unter dem Einfluß der Wirbelstromfelder, die durch das von den Spulen 10,11 erzeugte magnetische Wechselfeld in der gegenüberliegenden Reaktionsschiene induziert werden. Die Reaktionsschiene 25 ist in Figur 3 mit einer gestrichelten Linie 25 angedeutet. Die Kopplung der Spulen 10 und 11 wird durch ein sehr enges Nebeneinanderliegen erreicht. Die Spannung an der Spule 10 bildet das gesuchte Meßsignal nach Gleichrichtung durch einen Synchronschalter 18 mit anschließendem Filter 19, 20 als am Kondensator 20 anliegende Gleichspannung.
In Figur 2 ist schematisch der geometrische Aufbau eines Spulensystems aus Spulen 6, 7 wiedergegeben. Die Spulen 6, 7 sind gegensinnig gewickelt, wobei die Leiter der Spulen im wesentlichen nebeneinander und parallel zueinander angeordnet sind. Dadurch wird das aus den beiden Spulen 6, 7 bestehende Spulensystem gegenüber äußeren elektrischen Feldern unempfindlich. Der Spule 6 ist ein Kondensator 8 sowie der Spule 7 ein Kondensator 9 in der dargestellten Weise parallelgeschaltet. Wird diese Anordnung mit einem elektrischen Wechselfeld gespeist, dann wird darin eine Spannung induziert, wobei die elektrischen Potentiale beider Spulen 6, 7 unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Die von jeder Spule 6 bzw. 7 hervorgerufenen Verteilungen des elektrischen Feldes kompensieren sich gegenseitig, so daß auch der Einfluß kapazitiv eingekoppelter Spannungen, die durch ein äußeres elektrisches Feld hervorgerufen werden, keinen Einfluß auf die elektrischen Größen des Spulensystems aus den beiden Spulen 6, 7 aufweisen.
Die in Figur 4 dargestellte, praktische Ausführung weist zwei Spulensysteme 21, 22 auf, die jeweils aus einer Anordnung gemäß Figur 2 bestehen. Werden die beiden Spulensysteme 21, 22 entsprechend den dargestellten Stromrichtungen gespeist, dann wird dadurch das zwischen den beiden Spulensystemen 21, 22 vorhandene magnetische Feld verstärkt.
Die räumliche Ausdehnung des magnetischen Feldes wird so weit vergrößert, daß auch bei größeren Entfernungen von einer genutet dargestellten Reaktionsschiene 25 diese Reaktionsschiene 25 vom magnetischen Feld erfaßt wird. Im Statorpaket der Reaktionsschiene 25 werden dann Wirbelströme erzeugt, die ihrerseits das magnetische Feld in Abhängigkeit vom jeweiligen Abstand beeinflussen.
Um die Auswirkung einer temperaturabhängigen Änderung des Spulenwiderstandes auf das Meßsignal zu reduzieren oder zu kompensieren, sind auf der der Reaktionsschiene 25 abgewandten Seite der Spulensysteme 21, 22 zugeordnete Temperaturkompensationsspulen 23 bzw. 24 in orthogonaler Anordnung zu den zugeordneten Spulensystemen 21, 22 angeordnet. Die Temperaturkompensationsspulen 23, 24 sind dadurch nicht dem magnetischen Einfluß der Reaktionsschiene ausgesetzt. Während in dem entsprechend Figur 3 verarbeiteten Meßsignal die Summe von Spalteinfluß und Temperatureinfl.uß enthalten ist, ist in dem in einer weiteren, unabhängigen Anordnung entsprechend Figur 3 verarbeiteten Signal der Kompensationsspulen nur der Temperatureinfluß enthalten. Die Differenzbiidung von Abstandsmeßsigna.l und Kompensationssignal liefert eine vom Temperatureinfluß vollständig oder zumindest weitgehend unabhängige Information über den Abstand des Sensors zur Reaktionsschiene.
Die Spulensysteme 21, 22 und ihre zugeordneten Temperaturkompensationsspulen 23, 24 sind in einem zur Reaktionsschiene 25 hin offenen Gehäuse 26 untergebracht. Das Gehäuse besteht aus Aluminium und gewährleistet aufgrund seiner abschirmenden Wirkung, daß die Verteilung des von den Spulensystemen 21, 22 erzeugten magnetischen Feldes ausschließlich'von der Reaktionsschiene 25 beeinflußt ist und damit unabhängig von anderen Einflüssen ist.
Im rechten Teil der Figur 4 ist dargestellt, daß die Spulensysteme 21, 22 auch aus mehreren in Längsrichtung der Reaktionsschiene 25 hintereinander angeordneten Einzelspulen 21.1, 21.2, 21.3 bestehen können.
Dadurch läßt sich die Verteilung des magnetischen Feldes 27 derart beeinflussen, daß bei Messung des Abstandes zur genuteten Reaktiorisschiene 25 der Einfluß der Nutung auf das Meßsignal minimiert werden kann. Vorzugsweise werden in diesem Zusammenhang die Spulensysteme 21, 22 mit ihren zugeordneten Temperaturkompensationsspulen 23, 24 und dem Gehäuse 26 jeweils zwischen zwei Magnetpolen der Tragmagnete 28 entsprechend Figur 5 angeordnet.
Das Ersatzschaltbild in Figur 1 stellt die Spulen 10 und 11 der Figur 3-hinsichtlich ihres ohmschen und des induktiven Anteils genauer dar.
Der rein induktive Anteil ist durch 1 dargestellt. Der abstandsabhängige, ohmsche oder Verlustanteil 4 entspricht den Wirbelstromverlusten in der Reaktionsschiene, die die Spule bedämpfen. Pardll-el dazu ist der temperaturmäßig beeinflußte, ohmsche Anteil 3 eingezeichnet sowie ein weiterer, in Figur 3 nicht gezeigter, diskreter Widerstand 5, der bei an den Widerstand 3 angepaßtem entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten für die Temperaturunabhängigkeit der Anordnung verantwortlich ist. Der Kondensator 2 in Figur 1 stellt die beiden Kondensatcren 12 und 13 der Figur 3 dar.
;BEZUGSZEICHENLISTE 1 Spulensystem 2 Kondensator-3 Widerstand 4 Widerstand 5 Widerstand 6 Spule 7 Spule 8 Kondensator 9 Kondensator 10 Spule 11 Spule 12 Kondensator 13 Kondensator 14 Kondensator 15 Wechselspannungsquelle 16 Multiplizierer 17 Regler 18 Synchronschalter 19 Widerstand 20 Kondensator 21 Spulensystem 21.i Einzelspule 21.2 Einzelspule 21.3 Einzelspule 22 Spulensystem 23 Temperaturkompensationsspule 24 Temperaturkompensationsspule 25 Reaktionsschiene 26 Gehäuse 27 magnetisches Feld 28 Tragmagnet

Claims

Patentansprückie: Verfahren zur Bestimmung des Abstandes eines Sensors bezüglich einer leitfähigen Reaktionsschiene insbesondere zur Anwendung bei magnetischen Lagern oder magnetischen Schwebeeinrichtungen wie sie zur Lageregelung von Trag- und Führmagneten in der Magnetfahrtechnik Anwendung finden unter Verwendung eines sensorseitigen Spulensystems, welches ein zeitlich wechselndes Magnetfeld erzeugt, wobei zur Bestimmung des Abstandes die Rückwirkungen von in der Reaktionsschiene induzierten Wirbelströmen herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß Anderungen der Induktivität des gesamten Spulensystems dadurch keinen Einfluß auf das abstandsabhängige Signal ausüben, daß der induktive Blindwiderstand des zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes verwendeten Spulensystems kompensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Bestimmung des Abstands eines Magneten eines Magnetschwebefahrzeuges von einer das Fahrzeug tragenden und führenden ferromagnetischen Schiene, bei dem der mit dem Magneten fest verbundene Sensor ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das in der Schiene die Wirbelströme induziert, deren Rückwirkungen auf den Sensor zur Abstandmessung benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz-des vom Sensor erzeugten Wechselfeldes so geregelt wird, daß der aus induktiven und kapazitiven Anteilen bestehende Blindwiderstand, der aus den Spulen des Sensors mit der diesen mit dem zu bestimmenden Abstand gegenüberliegenden Schiene und aus Kondensatoren des Sensors gebildet wird, zu Null wird, wobei die Rückwirkung auf den Sensor durch die Beeinflussung der Induktivität und der Verluste von dessen Spulen-durch die.Wirbelströme in der Schiene erfolgt und daß die Spannung an einer der Spulen des Sensors nach Gleichrichtung und Glättung als Meßgröße für den Abstand dient.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, uaß die Spulen (1;6,7;10,11;21,22) des Sensors über einen in Parallel- oder Reihenschaltung betriebenen Kondensator (2;8,9;12,13) gekoppelt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (14,15,16,17) zum Beeinflussen der Frequenz der das Spulensystem (10,11,12,13) speisenden Wechselspannung.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung einen Kondensator (14) aufweist, dessen Eingang und Ausgang an einem Multiplizierer (16) anliegen, daß der Ausgang des Multiplizierers (16) einen Regler (17) beaufschlagt, der die Frequenz einer Wechselspannungsquelle (15) steuert, an die der Kondensator (14) angeschlossen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Spulen (6,7;10,11) des Sensors bei entgegengesetztem Wicklungssinn so verschaltet sind, daß sich die von jedem Spulensystem erzeugten elektrischen Felder in ihrer Summe kompensieren.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Spulen (6,7) im wesentlichen nebeneinander und parallel zueinander angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 - 7, gekennzeichnet durch mehrere längs der Reaktionsschiene (25) nebeneinander angeordnete Spulensysteme (21,22) aus jeweils zwei miteinander magnetisch gekoppelten Spulen (6,7;10,11).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Spulensystem (21,22) aus einer Mehrzahl von quer zur Reaktionsschiene (25) angeordneten Einzelspulen (21.1,21.2,21.3) besteht.
. - 11 - 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Spulensystem (21,22) eine in gleicher Weise betriebene orthogonal dazu angeordnete Temperaturkompensationsspule (23,24) zugeordnet ist, deren Ausgangssignal zur Kompensation des Temperatureinflusses herangezogen wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des Temperatureinflusses jedem Spulensystem (21,22) ein Widerstand mit einem dem Spulenwiderstand entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten in Parallel- oder Reihenschaltung zugeordnet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulensysteme (21,22) jeweils zwischen zwei Polen des in seiner Lage zu stabilisierenden Trag- oder Führmagneten angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulensysteme (21,22) in einem zur Reaktionsschiene hin offenen Gehäuse (26) aus leitfähigem Material untergebracht sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (26) aus Metall, insbesondere Alumi-nium besteht.