DE3409448C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Abstands einer elektrisch leitenden Reaktionsschiene von einem ein Spulensystem aufwei­ senden Sensor, dem eine Wechselspannung derart zugeführt wird, daß das Spulensystem ein zeitlich wechselndes Magnetfeld erzeugt, das in der Reaktionsschiene Wirbelströme induziert, die ihrerseits die am Spulen­ system liegende Spannung in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Sensor und der Reaktionsschiene beeinflussen, und bei dem der induktive Blind­ widerstand des Spulensystems kompensiert ist und daher keinen Einfluß auf die zur Abstandbestimmung herangezogene Spannung hat.

Vorrichtungen dieser Art sind bekannt (DE-OS 30 26 389) und finden insbesondere Anwendung bei magnetischen Lagern oder magnetischen Schwebe­ einrichtungen, wie sie zur Lageregelung in Trag- und Führmagneten in der Magnetfahrtechnik benötigt werden. Durch die Kompensation des induktiven Blindwiderstands ergibt sich dabei der Vorteil, daß das Abstandssignal im wesentlichen nur aus dem Wirkwiderstand ermittelt wird.

Allerdings wird bei der bekannten Vorrichtung die Kompensation mit Hilfe eines LC-Kreises herbeigeführt, der in den Rückkopplungskreis eines Wechselspannungsverstärkers geschaltet ist. Dadurch ist die bekannte Vorrichtung nur für vergleichsweise geringe Frequenzen, nicht aber für hohe Frequenzen von z. B. 1-10 MHz brauchbar. Derart hohe Frequenzen werden aber insbesondere bei der Anwendung der Vorrichtung an Magnetschwe­ bebahnen benötigt, um zu vermeiden, daß die von der Magnetisierung abhängige Permeabilität des Eisens in die Meßgröße eingeht. Außerdem können sich die von den Spulen erzeugten Felder oder äußere elektrische Felder auf das Meßergebnis auswirken.

Bei anderen bekannten Vorrichtungen dieser Art (DE-OS 21 58 387, 22 26 101 und 25 03 560) fehlt bereits die beschriebene Kompensation, so daß bei ihnen die durch den induktiven Blindwiderstand möglichen Einflüsse auf das Meßergebnis noch hinzutreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung so weiterzubilden, daß sie auch bei hohen Frequenzen einsetzbar und gegenüber äußeren elektrischen Feldern, Potentialschwan­ kungen oder systembedingten magnetischen Feldern unempfindlich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem zwei Spulen aufweist, die durch in Parallel- und Reihenschaltung betriebene Kondensatoren gekoppelt sind, einer der Spulen zwecks Erzeugung einer Meßgröße für den Abstand eine Einrichtung zum Gleichrichten und Glätten der an ihr liegenden Spannung nachgeschaltet ist und beide Spulen bei entgegengesetztem Wicklungssinn so zueinander angeordnet und miteinander verschaltet sind, daß auch die von beiden Spulen erzeugten oder auf sie einwirkenden elektrischen Felder in der Summe kompensiert werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in bekannter Weise die magnet­ spaltabhängige Bedämpfung des magnetischen Wechselfeldes durch Wirbel­ stromeffekte der Reaktionsschiene ausgenutzt. Dabei ergibt sich jedoch der Vorteil, daß das zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes verwendete Spulensystem so ausgebildet ist, daß bezüglich elektrischer Felder Neutralität herrscht. Bei entsprechender Gestaltung der zum Aufbau des Sensors verwendeten Spulen läßt sich auch eine Verteilung der magnetischen Feldkomponenten erreichen, bei der ein hoher, in Normalrichtung auf die Ebene der Reaktionsschiene treffender Feldanteil zur Abstandsmessung herangezogen werden kann. Schließlich besitzen partielle Beschädigungen der Nuten bzw. Zähne der Reaktionsschiene nur einen geringen Einfluß auf das Meßsignal.

Weitere Schwankungen lassen sich dadurch beseitigen, daß zum Beeinflussen der Frequenz der das Spulensystem speisenden Wechselspannung eine Regel­ einrichtung vorgesehen wird, die einen an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Kondensator aufweist, dessen Eingang und Ausgang mit einem Multiplizierer verbunden sind, dessen Ausgang an einen die Frequenz der Wechselspannungsquelle steuernden Regler angeschlossen ist. Dadurch wird die Frequenz der das Spulensystem speisenden Wechselspannung so beein­ flußt, 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 die Leiter der Spulen im wesentlichen nebeneinander und parallel zueinander angeordnet sind, um die von jedem Spulensystem erzeugten elektrischen Felder in ihrer Summe zu kompensieren. Äußere elektrische Felder können dann 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 das 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. Deren Spannung wird dann gegen die Spannung des Abstandsmessungssystems geschaltet, wodurch der Temperatureinfluß eliminiert wird. Die Temperaturkompen­ sationsspulen sind durch die senkrechte Anordnung zu den Abstandsmeßspulen unabhängig vom Abstand von der Reaktionsschiene.

Eine einfachere Möglichkeit sieht die Parallel- und Reihenschaltung eines Widerstandes mit einem dem Spulenwiderstand entgegengesetzten Temperatur­ koeffizienten zum Spulensystem 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 in seiner Lage zu stabilisierenden Trag- oder Führmagneten 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 leitfähigem 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 Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert; es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Ersatzschaltbild eines Sensors zur Bestimmung des Abstandes einer magnetischen Sonde von einer leitfähigen Reaktionsschiene,

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 Längs­ schnitt durch einen unterhalb einer Reaktionsschiene angeordne­ ten 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 Polschuhe einer magnetischen Schwebebahn von der Unterseite der zugeordneten Reaktionsschiene eingesetzt werden. Die prinzipielle, räumliche Anordnung nach Fig. 5 zeigt zur deutlicheren Darstellung einen Tragmagneten 28, die senkrecht über diesem befindliche Reaktionsschiene 25 und den Sensor mit Spule 21, 22 seitlich dazu ver­ setzt. Die tatsächliche Anordnung erhält man, wenn man den Sensor nach rechts zwischen die Polschuhe des Tragmagneten 28 verschiebt. Zum Sensor gehören zwei magnetisch gekoppelte Spulen 10, 11 mit zugeordneten, je­ weils parallel geschalteten Kondensatoren 12, 13. Die Spulen 10, 11 werden über einen weiteren Kondensator 14 aus einer Wechselspannungs­ quelle 15 gespeist. Die am Kondensator 14 anliegenden Spannungen werden einem Multiplizierer 16 zugeführt, dessen Ausgangssignal einen Gleich­ spannungsanteil enthält, dessen Amplitude und Vorzeichen abhängig ist von der Größe der induktiven bzw. kapazitiven Widerstandskomponente der Anordnung. Der Gleichspannungsanteil des Mulitplizierers 16 wird einem Regler 17 zugeführt, der dieses Signal verarbeitet und der Wech­ selspannungsquelle 15 zuführt, um eine Frequenzänderung der das Spulen­ system 10, 11 speisenden Spannung derart zu bewirken, daß die Blind­ komponente des Widerstandes der aus den Elementen 10, 11, 12, 13 be­ stehenden 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 Reaktions­ schiene induziert werden. Die Reaktionsschiene 25 ist in Fig. 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 Gleichrich­ tung durch einen Synchronschalter 18 mit anschließendem Filter 19, 20 als am Kondensator 20 anliegende Gleichspannung.

In Fig. 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 unemp­ findlich. Der Spule 6 ist ein Kondensator 8 sowie der Spule 7 ein Kon­ densator 9 in der dargestellten Weise parallel geschaltet. Wird diese Anordnung mit einem elektrischen Wechselfeld gespeist, dann wird darin eine Spannung induziert, wobei die elektrischen Potentiale beider Spu­ len 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 Span­ nungen, 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 Fig. 4 dargestellte praktische Ausführung weist zwei Spulen­ systeme 21, 22 auf, die jeweils aus einer Anordnung gemäß Fig. 2 be­ stehen. Werden die beiden Spulensysteme 21, 22 entsprechend den darge­ stellten 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 Reak­ tionsschiene 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 je­ weiligen Abstand beeinflussen.

Um die Auswirkung einer temperaturabhängigen Änderung des Spulenwider­ standes 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 Fig. 3 verarbeiteten Meßsignal die Summe von Spalteinfluß und Tempera­ tureinfluß enthalten ist, ist in dem in einer weiteren, unabhängigen Anordnung entsprechend Fig. 3 verarbeiteten Signal der Kompensations­ spulen nur der Temperatureinfluß enthalten. Die Differenzbildung von Abstandsmeßsignal und Kompensationssignal liefert eine vom Temperatur­ einfluß vollständig oder zumindest weitgehend unabhängige Information über den Abstand des Sensors zur Reaktionsschiene.

Die Spulensysteme 21, 22 und ihre zugeordneten Temperaturkompensations­ spulen 23, 24 sind in einem zur Reaktionsschiene 25 hin offenen Gehäu­ se 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 Fig. 4 ist dargestellt, daß die Spulensysteme 21, 22 auch aus mehreren in Längsrichtung der Reaktionsschiene 25 hinter­ einander angeordneten Einzelspulen 21.1, 21.2, 21.3 bestehen können. Dadurch läßt sich die Verteilung des magnetischen Feldes 27 derart be­ einflussen, daß bei Messung des Abstandes zur genuteten Reaktionsschiene 25 der Einfluß der Nutung auf das Meßsignal minimiert werden kann. Vor­ zugsweise 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 Fig. 5 angeordnet.

Das Ersatzschaltbild in Fig. 1 stellt die Spulen 10 und 11 der Fig. 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. Parallel dazu ist der temperaturmäßig beeinflußte, ohmsche Anteil 3 eingezeichnet sowie ein weiterer, in Fig. 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 Fig. 1 stellt die beiden Kondensatoren 12 und 13 der Fig. 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
21.1 Einzelspule
21.2 Einzelspule
21.3 Einzelspule
22 Spulensystem
23 Temperaturkompensationsspule
24 Temperaturkompensationsspule
25 Reaktionsschiene
26 Gehäuse
27 magnetisches Feld
28 Tragmagnet

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes einer elektrisch leitenden Reaktions­ schiene von einem ein Spulensystem aufweisenden Sensor, dem eine Wechsel­ spannung derart zugeführt wird, daß das Spulensystem ein zeitlich wechselndes Magnetfeld erzeugt, das in der Reaktionsschiene Wirbelströme induziert, die ihrerseits die am Spulensystem liegende Spannung in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Sensor und der Reaktionsschiene beeinflussen, und bei dem der induktive Blindwiderstand des Spulensystems kompensiert ist und daher keinen Einfluß auf die zur Abstandbestimmung her­ angezogene Spannung hat, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem zwei Spulen (1; 6, 7; 10, 11; 21, 22) aufweist, die durch in Parallel- oder Reihenschaltung betriebene Kondensatoren (2; 8, 9; 12, 13) gekoppelt sind, einer der Spulen (10) zwecks Erzeugung einer Meßgröße für den Abstand eine Einrichtung (18, 19, 20) zum Gleichrichten und Glätten der an ihr liegenden Spannung nachgeschaltet ist, und beide Spulen (6, 7; 10, 11) bei entgegengesetztem Wicklungssinn so zueinander angeordnet und miteinander verschaltet sind, daß auch die von beiden Spulen erzeugten oder auf sie einwirkenden elektrischen Felder in der Summe kompensiert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Spulen (6, 7) im wesentlichen nebeneinander und parallel zueinander angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere längs der Reaktionsschiene (25) nebeneinander angeordnete Spulensysteme (21, 22) aus jeweils zwei miteinander magnetisch gekoppelten Spulen (6, 7; 10, 11) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem (21, 22) aus einer Mehrzahl von quer zur Reaktions­ schiene (25) angeordneten Einzelspulen (21.1, 21.2, 21.3) besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Spulensystem (21, 22) eine in gleicher Weise betriebene, orthogonal dazu angeordnete Temperaturkompensationsspule (23, 24) zugeord­ net ist, deren Ausgangssignal zur Kompensation des Temperatureinflusses herangezogen wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des Temperatureinflusses dem Spulensystem (21, 22) ein Widerstand mit einem dem Spulenwiderstand entgegengesetzten Temperaturko­ effizienten in Parallel- oder Reihenschaltung zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem (21, 22) jeweils zwischen zwei Polen des in seiner Lage zu stabilisierenden Trag- oder Führmagneten angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulensystem (21, 22) in einem zur Reaktionsschiene hin offenen Gehäuse (26) aus leitfähigem Material untergebracht ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (26) aus Metall, insbesondere Aluminium, besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beeinflussen der Frequenz der Wechselspannung eine Regelein­ richtung vorgesehen ist, die einen an eine Wechselspannungsquelle ange­ schlossenen Kondensator (14) aufweist, dessen Eingang und Ausgang mit einem Multiplizierer (16) verbunden sind, dessen Ausgang an einen die Frequenz der Wechselspannungsquelle (15) steuernden Regler (17) ange­ schlossen ist.