DE3615738C1 - Device for the contactless indirect electrical measurement of a mechanical quantity - Google Patents

Device for the contactless indirect electrical measurement of a mechanical quantity

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DE3615738C1 DE19863615738 DE3615738A DE3615738C1 DE 3615738 C1 DE3615738 C1 DE 3615738C1 DE 19863615738 DE19863615738 DE 19863615738 DE 3615738 A DE3615738 A DE 3615738A DE 3615738 C1 DE3615738 C1 DE 3615738C1
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Abstract

A device for the contactless indirect electrical measurement of a mechanical quantity on a moving sensing object having soft-magnetic properties consisting of a sensor system which is arranged opposite the sensing object with a distance forming an air gap and which comprises a pot-shaped housing with soft-magnetic properties, at least one permanent magnet arranged located adjacently to the sensing object at one end in the housing and at least one sensor arranged at the other end in the housing and having electrical connections, and an evaluating circuit into which the sensor is integrated via the connections, is described in which the sensor is constructed as a capacitor element filled with a polar ferrous fluid between its two electrodes, to the electrodes of which a constant-frequency alternating electrical field can be applied via the connections from the evaluating circuit, on which field the constant magnetic field of the permanent magnet is superimposed, the electrical permittivity of the ferrous fluid being modulated by a change, produced if the air gap changes, of the magnetic flux in the magnetic control circuit formed by the permanent magnet, the air gap, the sensing object and the housing, and the change in modulation generates a signal analogous to this change in the evaluating circuit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1.The invention relates to a device according to the Ober Concept of claim 1.

Zur berührungslosen indirekten elektrischen Messung oder Erfassung einer mechanischen Größe, wie Position, Dreh­ zahl, Drehwinkel oder Druck, an einem Sensierungsobjekt sind sowohl elektrisch-induktive-, elektrisch-kapazitive-, optoelektrische- als auch magnetfeldsensorische Verfahren (beispielsweise EP-OS 01 60 444) allgemein bekannt.For contactless indirect electrical measurement or Detection of a mechanical variable, such as position, rotation number, angle of rotation or pressure, on a sensing object are both electrical-inductive, electrical-capacitive, optoelectric as well as magnetic field sensor methods (for example EP-OS 01 60 444) generally known.

Ausgehend von einer gattungsgemäßen Vorrichtung nach der DE-OS 34 11 773, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einerseits das Sensorsystem so auszubilden, daß es univer­ sell zur Erfassung mechanischer Größen, welche als Linear- oder Drehbewegung vorliegen, eingesetzt und durch einen kompakten Aufbau auch in eine Hybrid- oder Dickfilmelektro­ nik eingebaut werden kann und andererseits die Auswerte­ schaltung der Vorrichtung so zu gestalten, daß sie mög­ lichst einfach, mikroprozessorkompatibel und ebenfalls in die Elektronik integrierbar aufgebaut ist.Starting from a generic device according to the DE-OS 34 11 773, the invention has for its object on the one hand, to design the sensor system so that it is univer sell for the acquisition of mechanical quantities, which as linear or rotational movement, used and by one compact construction also in a hybrid or thick film electro nik can be installed and on the other hand the evaluations circuit to design the device so that it is possible as simple as possible, microprocessor compatible and also in the electronics are built integrable.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, wobei weitere Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Er­ findungsgegenstandes durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet sind. This object is achieved with the features of claim 1, whereby further developments and refinements of the Er subject of the invention by the features of the subclaims Marked are.  

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche sowohl magnetfeld­ sensorisch als auch elektrisch-kapazitive Eigenschaften unter Anwendung des magnetoelektrischen Effekts für polare Ferrofluide vereinigt, weist gegenüber den anderen bekannten Verfahren den bedeutenden Vorteil auf, daß zur magnetischen Steuerung - welche für die öl-, benzin- und salznebelver­ schmutzte Umgebung eines Sensors im Kraftfahrzeug besonders geeignet ist - einer völlig von der Umwelt isolierten elek­ trischen Kapazität über die elektrische Permittivität (re­ lative Dielektrizitätskonstante) eines polaren Ferrofluids lediglich ein einfacher RC-Generator erforderlich ist und sie zur Erfassung von mechanischen Größen - wie Positionen (Weg, Kipp-, Winkel- und Drehbewegungen), Drehzahl, Dreh­ schwingungen oder Druck-, welche sowohl als Linear- als auch als Drehbewegung am Sensierungsobjekt vorliegen können, ge­ eignet und insgesamt in eine Hybrid- oder Dickfilmelektronik integrierbar ist, was eine sehr kompakte, Leitungskapazitä­ ten ausschließende und störungssichere Bauweise ermöglicht. Ferner ist je nach Anwendungsfall sowohl eine frequenzanalo­ ge, also sehr störungssichere und mikroprozessorkompatible Signalverarbeitung als auch eine spannungsanaloge Signal­ verarbeitung mit Hilfe einer kapazitiven Wechselstrombrücke realisierbar.The device of the invention, which combines both magnetic field sensor and electrical-capacitive properties using the magnetoelectric effect for polar ferrofluids, has the significant advantage over the other known methods that for magnetic control - which for the oil, gasoline and salt mist contaminated environment of a sensor in a motor vehicle is particularly suitable - a completely isolated from the environment electrical capacitance via the electrical permittivity (relative dielectric constant) of a polar ferrofluid, a simple RC generator is required and it for the detection of mechanical variables - such as positions ( Path, tilting, angular and rotating movements), speed, rotating vibrations or pressure, which can be both linear and rotating movements on the sensing object, are suitable and can be integrated into a hybrid or thick film electronics, which is very compact , Line capacity exclusive and fail-safe construction. Furthermore, depending on the application, both frequency analog, ie very interference-free and microprocessor-compatible signal processing, as well as voltage-analog signal processing using a capacitive AC bridge can be implemented.

Diese Optimierung einer Vorrichtung zur Messung mechanischer Größen wurde durch die Anwendung des magnetoelektrischen Effekts für polare Ferrofluide möglich. In isolierenden Stoffen mit bestimmten komplizierten Strukturen, die eine magnetische Ordnung aufweisen, ruft ein magnetisches Feld eine diesem pro­ portionale elektrische Polarisation hervor (IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag - 16, No. 2, March 1980, Seiten 254- 257). Hier wurde als Stoff ein Ferrofluid (magnetische Flüssig­ keit) verwendet; Ferrofluide sind Suspensionen ferromagneti­ scher Partikel - wie FE2O3, Ni oder verschiedene Ferrite - in Trägerflüssigkeiten, wie z. B. Kohlenwasserstoffen, Fluor­ wasserstoffen oder Polyphenglestern etc. Zur Verhinderung eines Zusammenbackens sind die einzelnen ferromagnetischen Partikel mit einer oberflächenaktiven Substanz mit polaren Gruppen versehen. Die elektrische Permittivität ist bei sol­ chen Stoffen reproduzierbar abhängig von der Stärke eines magnetischen Gleichfeldes und der relativen Winkelrichtung zwischen einem angelegten elektrischen Feld und dem über­ lagerten magnetischen Gleichfeld.This optimization of a device for measuring mechanical quantities was made possible by using the magnetoelectric effect for polar ferrofluids. In insulating materials with certain complicated structures that have a magnetic order, a magnetic field causes a proportional electrical polarization (IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag - 16, No. 2, March 1980, pages 254-257). Here, a ferrofluid (magnetic liquid speed) was used as the substance; Ferrofluids are suspensions of ferromagnetic particles - such as FE 2 O 3 , Ni or various ferrites - in carrier liquids, such as As hydrocarbons, fluorine or polyphenol esters etc. To prevent caking, the individual ferromagnetic particles are provided with a surface-active substance with polar groups. The electrical permittivity is reproducible for such substances depending on the strength of a magnetic DC field and the relative angular direction between an applied electrical field and the superimposed magnetic DC field.

Bringt man nun das Ferrofluid zwischen die Elektroden (Plat­ ten) eines Kondensators und legt an diesen ein elektrisches Wechselfeld mit einer konstanten Frequenz von ca. 10 kHz bis 100 kHz an, so kann mit einem überlagerten magnetischen Gleichfeld von ca. 1 mT bis 100 mT - parallel, orthogonal oder unter einem Winkel zum elektrischen Wechselfeld - die elektrische Permittivität des Ferrofluids ausgesteuert wer­ den. Die magnetische Steuerung der Permittivität des Ferro­ fluids läßt sich nun entweder als Impedanzänderung in einer kapazitiven Wechselstrombrücke oder als Kapazitätsänderung in einem RC-Oszillator auswerten.If you now bring the ferrofluid between the electrodes (plates) of a capacitor and apply an alternating electrical field to it at a constant frequency of approx. 10 kHz to 100 kHz, a superimposed magnetic direct field of approx. 1 mT to 100 mT can be applied - The electrical permittivity of the ferrofluid is controlled in parallel, orthogonally or at an angle to the alternating electrical field. The magnetic control of the permittivity of the ferro fluid can now be evaluated either as a change in impedance in a capacitive AC bridge or as a change in capacitance in an RC oscillator.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nun in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigtEmbodiments of the invention are now in the drawing are shown and are described in more detail below. It shows

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, Fig. 1 shows a first embodiment,

Fig. 1a den Sensor gemäß Fig. 1 in vergrößerter Dar­ stellung, Fig. 1a the sensor of FIG. 1 in an enlarged Dar position,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, Fig. 2 shows a second embodiment,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel, Fig. 3 shows a third embodiment,

Fig. 3a einen Sensor als Detaildarstellung und Fig. 3a shows a sensor as detailed representation and

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Fig. 4 shows a fourth embodiment of the device.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die Vorrichtung 1 zur berührungslosen indirekten elektrischen Messung einer mechanischen Größe an einem beweglichen Sensierungsobjekt 2 mit weichmagnetischen Eigenschaften aus einem gegenüber dem Sensierungsobjekt 2 mit einem einen Luftspalt w bildenden Abstand 2.1 anzuordnenden Sensorsystem 3 und einer Auswerte­ schaltung 4. Das Sensorsystem 3 wiederum besteht aus einem topfförmigen Gehäuse 5, einem Permanentmagnet 6 und einem Sensor 7 mit elektrischen Anschlüssen 7.1 und 7.2. Das Ge­ häuse 5 selbst kann aus einem Material mit weichmagnetischen Eigenschaften hergestellt sein oder aus einem isolierenden Werkstoff bestehen, wobei dann das Gehäuse 5 mit einem Fluß­ leitblech 5.1 mit weichmagnetischen Eigenschaften auszu­ kleiden ist. Im Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß das Gehäuse 5 selbst aus einem Material mit weichmagne­ tischen Eigenschaften hergestellt ist. Das Gehäuse 5 weist an seinem dem Sensierungsobjekt 2 zugewandten offenen Ende einen aus isolierendem Werkstoff bestehenden, das Gehäuse verschließenden Deckel 5.2 auf, an welchem der Permanent­ magnet 6 - in das Gehäuse hineinragend - befestigt ist; hin­ gegen ist der Sensor 7 innerhalb des Gehäuses 5 an dessen Boden befestigt. Es ist aber auch möglich, sowohl den Per­ manentmagnet 6 als auch den Sensor 7 durch eine das Gehäuse 5 ausfüllende Isolier-Vergußmasse 5.3 in diesem zu positionieren, wobei dann ein Deckel nicht erforderlich ist. Der Permanent­ magnet 6 und der Sensor 7 sind nun derart im Gehäuse 5 posi­ tioniert, daß sowohl die magnetische Achse 6.1 des Per­ manentmagnet 6 als auch die Feldachse 7.3 des Sensors 7 in Richtung der Längsachse 5.4 des Gehäuses 5 liegen. Der Sensor 7 besteht - wie auch aus Fig. 1a ersichtlich ist - aus einem isolierenden, hohlzylinderförmigen Röhrchen 7.4, beispiels­ weise ein Glas- oder Keramikröhrchen, den beiden das Röhrchen verschließenden Elektroden 7.5 und 7.6 mit den daran befestigten Anschlüssen 7.1 und 7.2 und dem das Röhrchen zwischen den beiden Elektroden füllenden polaren Ferrofluid 7.7. Die Anschlüsse 7.1 und 7.2 führen zu der Auswerteschaltung 4 und sind in dieser mit einer kapaziti­ ven Wechselstrombrücke 4.1 verbunden, welche einerseits mit einem als RC-Generator ausgebildeten Oszillator 4.2 und andererseits mit einer Signalaufbereitungsstufe 4.3 ver­ bunden ist. Sämtliche Bauteile können nun auf einer Plati­ ne 8 einer elektronischen Hybridschaltung angeordnet sein, welche gegenüber dem Sensierungsobjekt 2 so angeordnet wird, daß das Sensorsystem 5, 6, 7 diesem mit dem Luftspalt δ be­ abstandet gegenüber liegt. Da das Sensierungsobjekt - bei­ spielsweise ein Teil eines Kolbens, dessen Hub gemessen wer­ den soll oder die Membrane eines Druckmessers etc. - weich­ magnetische Eigenschaften aufweist, wird ausgehend vom Per­ manentmagnet 6, über den Luftspalt δ, das Sensierungsobjekt 2, das Gehäuse 5 (bzw. das Flußleitblech 5.1) und zurück zum Permanentmagnet 6 ein magnetischer Steuerkreis 6.2 gebildet, wobei der Sensor 7 ebenfalls in diesem Steuerkreis liegt. Da an den Sensor 7 bzw. dessen Elektroden 7.5 und 7.6 über die Anschlüsse 7.1 und 7.2 von dem Oszillator 4.2 ein elek­ trisches Wechselfeld mit einer konstanten Frequenz von etwa 10 kHz bis 100 kHz angelegt ist, bildet sich im Sensor zwi­ schen den Elektroden ein elektrisches Feld aus, wobei die Feldachse 7.3 in Richtung der Längsachse 5.4 des Gehäuses 5 und in Richtung der magnetischen Achse 6.1 des Permanent­ magneten 6 verläuft. Dem elektrischen Wechselfeld des Sen­ sors wird also parallel zu diesem das magnetische Gleich­ feld von etwa 1 mT bis 100 mT des Permanentmagneten über­ lagert, d. h. daß der Sensor parallel zu seinem elektrischen Feld ebenfalls vom magnetischen Fluß des Gleichfeldes durch­ flutet wird. Bewegt sich nun das Sensierungsobjekt 2 in der durch den Pfeil 2.2 angedeuteten Richtung, so wird auch der Abstand 2.1 zwischen dem Sensierungsobjekt 2 und dem Sensorsystem 3 kleiner (bzw. größer), wodurch auch der Luftspalt δ verändert wird. Durch die Luftspaltänderung ändert sich auch der magnetische Fluß im Steuerkreis 6.2, welcher die Permittivität des Ferrofluids 7.7 des Sensors 7 steuert. Da der Sensor 7 über seine Anschlüsse 7.1 und 7.2 in die kapazitive Wechselstrombrücke 4.1 eingeschaltet ist, wird durch die durch die Permittivitätsänderung bewirkte kapa­ zitive Impedanzänderung des als Kondensatorelement ausgebil­ deten Sensors in der Wechselstrombrücke ein der Impedanz­ änderung proportionales analoges Spannungssignal erzeugt, welches in der nachfolgenden Signalaufbereitungsstufe 4.3 elektronisch weiterverarbeitet und zu einer der Bewegung des Sensierungsobjekts analogen Anzeige aufbereitet wird.As can be seen from FIG. 1, the device 1 for contactless indirect electrical measurement of a mechanical variable on a movable sensing object 2 with soft magnetic properties consists of a sensor system 3 to be arranged with respect to the sensing object 2 with a distance 2.1 forming an air gap w and an evaluation circuit 4 . The sensor system 3 in turn consists of a pot-shaped housing 5 , a permanent magnet 6 and a sensor 7 with electrical connections 7.1 and 7.2 . The Ge housing 5 itself can be made of a material with soft magnetic properties or consist of an insulating material, in which case the housing 5 is to be clad with a flux guide plate 5.1 with soft magnetic properties. In the exemplary embodiment it is assumed that the housing 5 itself is made of a material with soft magnetic properties. The housing 5 has at its open end facing the sensing object 2 an insulating material which closes the housing and covers the cover 5.2 , to which the permanent magnet 6 - projecting into the housing - is fastened; towards the sensor 7 is attached to the bottom of the housing 5 . However, it is also possible to position both the permanent magnet 6 and the sensor 7 in this by an insulating potting compound 5.3 filling the housing 5 , in which case a cover is not required. The permanent magnet 6 and the sensor 7 are now in the housing 5 such tioniert posi that both the magnetic axis 6.1 of the Per manentmagnet 6 and the field axis 7.3 of the sensor 7 in the direction of the longitudinal axis 5.4 of the housing 5 are located. The sensor 7 consists - as can also be seen from Fig. 1a - of an insulating, hollow cylindrical tube 7.4 , for example a glass or ceramic tube, the two electrodes 7.5 and 7.6 closing the tube with the attached connectors 7.1 and 7.2 and that Tubes between the polar ferrofluid filling the two electrodes 7.7 . The connections 7.1 and 7.2 lead to the evaluation circuit 4 and are connected in this to a capacitive AC bridge 4.1 , which on the one hand is connected to an oscillator 4.2 designed as an RC generator and on the other hand is connected to a signal processing stage 4.3 . All components can now be arranged on a Plati ne 8 of an electronic hybrid circuit, which is arranged opposite the sensing object 2 so that the sensor system 5, 6, 7 is spaced opposite this with the air gap δ be. Since the sensing object - for example part of a piston whose stroke is to be measured or the diaphragm of a pressure gauge etc. - has soft magnetic properties, starting from the permanent magnet 6 , via the air gap δ , the sensing object 2 , the housing 5 ( or the flux guide plate 5.1 ) and back to the permanent magnet 6, a magnetic control circuit 6.2 is formed, the sensor 7 also being in this control circuit. Since an electrical alternating field with a constant frequency of approximately 10 kHz to 100 kHz is applied to the sensor 7 or its electrodes 7.5 and 7.6 via the connections 7.1 and 7.2 from the oscillator 4.2, an electrical between the electrodes is formed in the sensor Field out, the field axis 7.3 running in the direction of the longitudinal axis 5.4 of the housing 5 and in the direction of the magnetic axis 6.1 of the permanent magnet 6 . The electrical alternating field of the sensor is therefore parallel to this, the constant magnetic field of about 1 mT to 100 mT of the permanent magnet overlaid, ie that the sensor is also flooded by the magnetic flux of the constant field through parallel to its electrical field. If the sensing object 2 now moves in the direction indicated by the arrow 2.2 , the distance 2.1 between the sensing object 2 and the sensor system 3 also becomes smaller (or larger), as a result of which the air gap δ is also changed. The change in air gap also changes the magnetic flux in the control circuit 6.2 , which controls the permittivity of the ferrofluid 7.7 of the sensor 7 . Since the sensor 7 is switched on via its connections 7.1 and 7.2 in the capacitive alternating current bridge 4.1 , the capacitive change in impedance of the sensor designed as a capacitor element in the alternating current bridge, which is caused by the change in permittivity, produces an analog voltage signal proportional to the change in impedance, which in the following Signal processing stage 4.3 is further processed electronically and processed into a display analogous to the movement of the sensing object.

Mit dem gleichen Vorrichtungsaufbau kann aber auch ein Sensierungsobjekt 2 sensiert werden, welches sich gemäß dem Pfeil 2.3 in radialer Richtung am Sensorsystem 3 vorbei­ bewegt, so daß also auch eine meßtechnische Erfassung der Drehzahl eines Sensierungsobjektes oder das Abzählen von am Sensorsystem 3 vorbeigleitenden Sensierungsobjekten möglich ist.With the same device structure, however, a sensing object 2 can also be sensed, which moves past the sensor system 3 in the radial direction according to arrow 2.3 , so that it is also possible to measure the rotational speed of a sensing object by measurement or to count sensing objects sliding past the sensor system 3 .

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 lediglich dadurch, daß die Aus­ werteschaltung 4 nur noch einen Oszillator 4.2 und eine Sig­ nalaufbereitungsstufe 4.3 enthält, so daß der Sensor 7 über seine Anschlüsse 7.1 und 7.2 direkt mit dem Oszillator 4.2 verbunden ist. Bewegt sich hierbei das Sensierungsobjekt 2 beispielsweise in der mit dem Pfeil 2.2 angedeuteten Rich­ tung, so wird ebenfalls - wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beschrieben - die Permittivität des Ferrofluids des Sensors 7 gesteuert, wobei nunmehr durch die durch die Per­ mittivitätsänderung bewirkte Kapazitätsänderung des als Kondensatorelement ausgebildeten Sensors 7 in dem Oszillator 4.2 ein der Kapazitätsänderung frequenzanaloges Signal er­ zeugt wird, welches in der nachfolgenden Signalaufberei­ tungsstufe 4.3 elektronisch weiterverarbeitet und zu einer Anzeige aufbereitet wird, welche eine Ja-Nein-Aussage be­ züglich einer Bewegung des Sensierungsobjektes 2 beinhaltet.The embodiment shown in FIG. 2 differs from that of FIG. 1 only in that the evaluation circuit 4 only contains an oscillator 4.2 and a signal processing stage 4.3 , so that the sensor 7 via its connections 7.1 and 7.2 directly with the oscillator 4.2 is connected. If the sensing object 2 moves, for example, in the direction indicated by the arrow 2.2 , the permittivity of the ferrofluid of the sensor 7 is also controlled, as described in the exemplary embodiment according to FIG. 1, the capacitance change caused by the change in permittance As a capacitor element formed sensor 7 in the oscillator 4.2, a change in frequency-analog signal, it is generated, which is further processed electronically in the subsequent signal processing stage 4.3 and processed into a display which contains a yes-no statement regarding a movement of the sensing object 2 .

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 wiederum lediglich dadurch, daß der Sensor 7 so im Gehäuse 5 befestigt ist, daß die Feld­ achse 7.3 des sich aufgrund der Oszillatorspeisung aus­ bildenden elektrischen Feldes zwischen den beiden Elektroden 7.5 und 7.6 lotrecht zur Längsachse 5.4 und der magnetischen Achse 6.1 des Permanentmagneten 6 verläuft, so daß der magne­ tische Fluß des magnetischen Gleichfeldes des Permanentmagne­ ten 6 das elektrische Feld des Sensors lotrecht schneidet. Auch durch eine solche Anordnung ist bei einer Bewegung des Sensierungsobjekts ein eindeutiges Signal, wie unter den Fig. 1 und 2 beschrieben, zu gewinnen.The embodiment shown in Fig. 3 differs from that of FIG. 1 again only in that the sensor 7 is fixed in the housing 5 so that the field axis 7.3 of the electrical field formed due to the oscillator supply between the two electrodes 7.5 and 7.6 runs perpendicular to the longitudinal axis 5.4 and the magnetic axis 6.1 of the permanent magnet 6 , so that the magnetic flux of the magnetic constant field of the permanent magnet 6 intersects the electrical field of the sensor perpendicular. Such an arrangement can also be used to obtain a clear signal when the sensing object moves, as described in FIGS . 1 and 2.

Gemäß Fig. 3a ist der Sensor 7 als Zylinderkondensatorele­ ment ausgebildet, dessen Elektroden durch eine stabförmige Mittelelektrode 7.5 und den Zylindermantel 7.6 gebildet sind. Obwohl der Sensor 7 so in das Gehäuse 5 eingebaut wird, daß die stabförmige Mittelelektrode 7.5 in Richtung der Längs­ achse 5.4 des Gehäuses 5 verläuft, verläuft die Feldachse 7.3 des sich aufgrund der Oszillatorspeisung ausbildenden elektrischen Feldes zwischen den beiden Elektroden lotrecht zur magnetischen Achse 6.1 des Permanentmagneten 6.Referring to FIG. 3a of the sensor element 7 is formed as Zylinderkondensatorele whose electrodes are connected by a rod-shaped center electrode is 7.5 and the cylinder jacket 7.6 is formed. Although the sensor 7 is installed in the housing 5 in such a way that the rod-shaped central electrode 7.5 runs in the direction of the longitudinal axis 5.4 of the housing 5 , the field axis 7.3 of the electrical field formed due to the oscillator supply runs perpendicularly to the magnetic axis 6.1 of the two electrodes Permanent magnets 6 .

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung 1 ist in Fig. 4 dargestellt, wonach noch ein zweites Sensor­ system 3′ gegenüber dem Sensorsystem 3 symmetrisch zum Bo­ den 5.5 des Gehäuses 5 vorgesehen ist, wobei das Sensor­ system 3 und das Sensierungsobjekt 2 einen Meßkreis und das Sensorsystem 3′ mit dem Sensierungsobjekt 2′ einen Referenzkreis bildet. Während das Sensierungsobjekt 2 be­ weglich ist - Pfeilrichtung 2.2 - und sich somit auch der Luftspalt δ ändern kann, ist das zweite weichmagnetische Eigenschaften aufweisende Sensierungsobjekt 2′ gegenüber dem Gehäuse 5′ und dem Permanentmagnet 6′ mit einem kon­ stanten Luftspalt w′ beabstandet angeordnet. Ferner ist auch der zweite Sensor 7′ über seine Anschlüsse 7.1′ und 7.2′ in die kapazitive Wechselstrombrücke 4.1 der Aus­ werteschaltung 4 integriert. Durch die symmetrische Doppel­ anordnung ist es möglich, thermisch bedingte Fehler weit­ gehend zu kompensieren. Das Sensierungsobjekt 2′ bietet durch eine justierbare Anordnung gegenüber dem Gehäuse 5′ die Möglichkeit, einen Abgleich zwischen dem Meßkreis und dem Referenzkreis vorzunehmen. Obwohl bei der dargestellten Doppelanordnung beide Sensoren 7 und 7′ in die kapazitive Wechselstrombrücke 4.1 geschaltet sind, ist es analog zu Fig. 2 auch möglich, dieselben elektronisch in einen RC- Oszillatorkreis zu schalten, wobei die Sensoren 7 und 7′ abwechselnd in den Kreis geschaltet werden und mit einem Mikroprozessor die vom Luftspalt δ, δ′ abhängige Differenz­ frequenz gebildet wird.A particularly advantageous embodiment of the device 1 is shown in Fig. 4, according to which a second sensor system 3 ' relative to the sensor system 3 symmetrically to the Bo 5.5 of the housing 5 is provided, the sensor system 3 and the sensing object 2 a measuring circuit and Sensor system 3 ' forms a reference circle with the sensing object 2' . While the sensing object 2 is movable - arrow direction 2.2 - and thus the air gap δ can change, the second soft-magnetic properties sensing object 2 'is spaced apart from the housing 5' and the permanent magnet 6 ' with a constant air gap w '. Furthermore, the second sensor 7 'is integrated via its connections 7.1' and 7.2 ' into the capacitive AC bridge 4.1 from the evaluation circuit 4 . The symmetrical double arrangement makes it possible to largely compensate for thermal errors. The sensing object 2 ' offers an adjustable arrangement relative to the housing 5' the possibility of making a comparison between the measuring circuit and the reference circuit. Although in the dual arrangement shown both sensors 7 and 7 'are connected to the capacitive AC bridge 4.1 , it is analogous to FIG. 2, it is also possible to switch them electronically into an RC oscillator circuit, the sensors 7 and 7' alternating in the circuit are switched and with a microprocessor which is formed by the air gap δ, δ ' dependent difference frequency.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur berührungslosen indirekten elektrischen Messung einer mechanischen Größe an einem beweglichen Sen­ sierungsobjekt mit weichmagnetischen Eigenschaften, be­ stehend aus einem gegenüber dem Sensierungsobjekt mit einem einen Luftspalt bildenden Abstand angeordneten Sensorsystem - welches ein topfförmiges Gehäuse mit weichmagnetischen Eigenschaften, mindestens einen einerends im Gehäuse und dem Sensierungsobjekt benachbart liegend angeordneten Permanent­ magneten und mindestens einen andernends im Gehäuse ange­ ordneten Sensor mit elektrischen Anschlüssen umfaßt - und einer Auswerteschaltung, in welche der Sensor über die An­ schlüsse integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) als ein zwischen seinen beiden Elektro­ den (7.5, 7.6) mit einem polaren Ferrofluid (7.7) gefülltes Kondensatorelement ausgebildet ist, an dessen Elektroden (7.5, 7.6) über die Anschlüsse (7.1, 7.2) von der Auswerte­ schaltung (4) ein elektrisches Wechselfeld konstanter Fre­ quenz anlegbar ist, welchem sich das magnetische Gleich­ feld des Permanentmagneten (6) überlagert, wobei durch eine bei sich änderndem Luftspalt (δ) bewirkte Änderung des magne­ tischen Flußes in dem durch den Permanentmagnet (6), den Luftspalt (δ), das Sensierungsobjekt (2) und das Gehäuse (5) gebildeten magnetischen Steuerkreis (6.2) die elektrische Permittivität des Ferrofluids (7.7) ausgesteuert wird und die Aussteuerungsänderung in der Auswerteschaltung (4) ein dieser Änderung analoges Signal erzeugt.1.Device for non-contact indirect electrical measurement of a mechanical variable on a movable sensor object with soft magnetic properties, consisting of a sensor system arranged with respect to the sensor object with a gap forming an air gap - which is a pot-shaped housing with soft magnetic properties, at least one end in the housing and the sensing object located adjacent permanent magnets and at least one other in the housing arranged sensor with electrical connections - and an evaluation circuit, in which the sensor is integrated on the connections, characterized in that the sensor ( 7 ) as one between its two Electrode ( 7.5, 7.6 ) with a polar ferrofluid ( 7.7 ) filled capacitor element is formed, on the electrodes ( 7.5, 7.6 ) via the connections ( 7.1, 7.2 ) of the evaluation circuit ( 4 ) an electrical alternating field of constant frequency z can be applied, which is superimposed on the magnetic constant field of the permanent magnet ( 6 ), being caused by a change in the air gap ( δ ) brought about by a change in the magnetic flux in the through the permanent magnet ( 6 ), the air gap ( δ ), the sensing object ( 2 ) and the housing ( 5 ) formed magnetic control circuit ( 6.2 ), the electrical permittivity of the ferrofluid ( 7.7 ) is modulated and the modulation change in the evaluation circuit ( 4 ) generates a signal analogous to this change. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Achse (6.1) des Permanentmagneten (6) und die Feldachse (7.3) des Sensors (7) in Richtung der Längsachse (5.4) des Gehäuses (5) liegen.2. Device according to claim 1, characterized in that the magnetic axis ( 6.1 ) of the permanent magnet ( 6 ) and the field axis ( 7.3 ) of the sensor ( 7 ) lie in the direction of the longitudinal axis ( 5.4 ) of the housing ( 5 ). 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Achse (6.1) des Permanentmagneten (6) in Richtung der Längsachse (5.4) des Gehäuses (5) liegt und die Feldachse (7.3) des Sensors (7) lotrecht zu dieser verläuft (Fig. 3; 3a).3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the magnetic axis ( 6.1 ) of the permanent magnet ( 6 ) in the direction of the longitudinal axis ( 5.4 ) of the housing ( 5 ) and the field axis ( 7.3 ) of the sensor ( 7 ) extends perpendicular to this ( Fig. 3; 3a). 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) aus einem isolierenden, hohlzylinder­ förmigen Röhrchen (7.4) mit an dessen Enden angeordneten Elektroden (7.5, 7.6) besteht und die so gebildete Kammer mit dem polaren Ferrofluid (7.7) gefüllt ist.4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the sensor ( 7 ) consists of an insulating, hollow cylindrical tube ( 7.4 ) with electrodes arranged at its ends ( 7.5, 7.6 ) and the chamber thus formed with the polar ferrofluid ( 7.7 ) is filled. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) als Zylinderkondensator mit stabförmiger Mittelelektrode (7.5) ausgebildet ist, welche in Richtung der Längsachse (5.4) des Gehäuses (5) verläuft (Fig. 3a).5. The device according to claim 3, characterized in that the sensor ( 7 ) is designed as a cylindrical capacitor with a rod-shaped central electrode ( 7.5 ) which extends in the direction of the longitudinal axis ( 5.4 ) of the housing ( 5 ) ( Fig. 3a). 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Flußdichte des Gleichfeldes des Permanentmagneten (6) zwischen 1 mT und 100 mT beträgt. 6. The device according to claim 1, characterized in that the magnetic flux density of the DC field of the permanent magnet ( 6 ) is between 1 mT and 100 mT. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das topfförmige Gehäuse (5) aus einem isolierenden Werkstoff besteht und die Innenwandung des Gehäuses mit einem Flußleitblech (5.1) aus einem weichmagnetischen Werkstoff ausgekleidet ist und daß sowohl der Permanent­ magnet (6) als auch der Sensor (7) durch eine das Gehäuse ausfüllende Vergußmasse (5.3) in diesem positioniert sind.7. The device according to claim 1, characterized in that the cup-shaped housing ( 5 ) consists of an insulating material and the inner wall of the housing is lined with a flux guide plate ( 5.1 ) made of a soft magnetic material and that both the permanent magnet ( 6 ) and the sensor ( 7 ) is positioned in it by a casting compound ( 5.3 ) filling the housing. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das topfförmige Gehäuse (5) einschließlich seines Deckels (5.2) aus einem isolierenden Werkstoff besteht, die Innenwandung des Gehäuses (5) mit einem Flußleitblech (5.1) aus einem weichmagnetischen Werkstoff ausgekleidet ist und der Deckel des Gehäuses den Permanentmagnet (6) trägt.8. The device according to claim 1, characterized in that the cup-shaped housing ( 5 ) including its cover ( 5.2 ) consists of an insulating material, the inner wall of the housing ( 5 ) is lined with a flux guide plate ( 5.1 ) made of a soft magnetic material and the Cover of the housing carries the permanent magnet ( 6 ). 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) einen Oszillator (4.2) enthält, welcher als RC-Generator ein elektrisches Wechsel­ feld konstanter Frequenz von 10 kHz bis 100 kHz erzeugt.9. The device according to claim 1, characterized in that the evaluation circuit ( 4 ) contains an oscillator ( 4.2 ) which, as an RC generator, produces an electrical alternating field of constant frequency from 10 kHz to 100 kHz. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) desweiteren eine kapazitive Wechselstrombrücke (4.1) enthält, welche elektrisch zwi­ schen den Oszillator (4.2) und den Sensor (7) geschaltet ist.10. The device according to claim 9, characterized in that the evaluation circuit ( 4 ) further contains a capacitive AC bridge ( 4.1 ) which is electrically between the oscillator's ( 4.2 ) and the sensor ( 7 ) is connected. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) desweiteren eine Signal­ aufbereitungsstufe (4.3) enthält. 11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that the evaluation circuit ( 4 ) further contains a signal processing stage ( 4.3 ). 12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussteuerungsänderung als Kapazitätsänderung des Kondensatorelementes in dem Oszillator (4.2) ein dieser Änderung frequenzanaloges Signal erzeugt (Fig. 2).12. The apparatus according to claim 9, characterized in that the modulation change as a change in capacitance of the capacitor element in the oscillator ( 4.2 ) generates a change in frequency-analog signal ( Fig. 2). 13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussteuerungsänderung in der Wechselstrombrücke ( 4.1) eine kapazitive Impedanzänderung bewirkt und von dieser ein der Änderung proportionales analoges Spannungs­ signal erzeugt wird (Fig. 1; 4).13. The apparatus according to claim 10, characterized in that the modulation change in the AC bridge ( 4.1 ) causes a capacitive impedance change and from this a change proportional analog voltage signal is generated ( Fig. 1; 4). 14. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zum Boden (5.5) des Gehäuses (5) symmetrische An­ ordnung des Sensorsystems (3; 3′), wobei ein zweites Sen­ sierungsobjekt (2′) gegenüber dem Gehäuse (5′) und Per­ manentmagnet (6′) mit einem konstanten Luftspalt (δ′) be­ abstandet angeordnet ist und auch der zweite Sensor (7′) über Anschlüsse (7.1′, 7.2′) in die Auswerteschaltung (4) integriert ist.14. The apparatus according to claim 1, characterized by a to the bottom ( 5.5 ) of the housing ( 5 ) symmetrical arrangement of the sensor system ( 3; 3 ' ), wherein a second Sen sierungs Objects ( 2' ) relative to the housing ( 5 ' ) and Per Manentmagnet ( 6 ' ) with a constant air gap ( δ' ) be spaced apart and the second sensor ( 7 ' ) via connections ( 7.1', 7.2 ' ) is integrated in the evaluation circuit ( 4 ).
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