Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Weggeber nach der Gattung des
Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 31 09 930.0 ist ein Weggeber bekannt,
bei dem der Stabkern mit der Meßspule in eine in einem Rohr ange
brachte Hülse aus Messing taucht. Die Frequenz des durch die Spule
fließenden Wechselstroms ist so abgestimmt, daß sich die Wirbelströ
me nur in der Messingoberfläche ausbilden. Das hier verwendete so
genannte Wirbelstromprinzip weist zwar eine geringe Temperaturabhän
gigkeit auf. Aber bei unterschiedlichen Temperaturen ergibt sich ei
ne von der Eindringtiefe des Tauchkörpers in die Meßspule abhängige
Temperaturdrift. Diese Temperaturdrift kann in einer elektrischen
Auswerteschaltung nur schwer und aufwendig kompensiert werden.The invention is based on a displacement sensor according to the genus of
Main claim. A displacement sensor is known from DE-OS 31 09 930.0,
in which the rod core with the measuring coil in a tube
brought sleeve made of brass dips. The frequency of the through the coil
flowing alternating current is adjusted so that the eddy currents
Only train me in the brass surface. The one used here like this
eddy current principle mentioned has a low temperature dependence
on. But at different temperatures there is ei
ne dependent on the depth of penetration of the immersion body into the measuring coil
Temperature drift. This temperature drift can occur in an electrical
Evaluation circuit are difficult and expensive to compensate.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der erfindungsgemäße Weggeber mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die bei unter
schiedlichen Temperaturen ermittelten Meßkurven nahezu parallel über
den gesamten Meßbereich verlaufen. Die Temperaturdrift ist somit
über den gesamten Meßbereich nahezu konstant und kann in einfacher
Weise in einer elektrischen Auswerteschaltung berücksichtigt werden.
The encoder according to the invention with the characterizing features of
Main claim has the advantage that the under
different temperatures determined almost parallel over
run the entire measuring range. The temperature drift is thus
Almost constant over the entire measuring range and can be done in simple
Be considered in an electrical evaluation circuit.
Die Herstellung des Weggebers ist besonders einfach, da auf einem
Tauchkörper aus ferromagnetischem Material nur eine Schicht aus
elektrisch gut leitendem, aber nicht ferromagnetischem Material auf
gebracht werden muß. In einfacher Weise kann durch Veränderung der
Schichtdicke der beiden Materialien und durch die verwendete Fre
quenz des Wechselstroms der Weggeber auf die notwendigen Meßverhält
nisse abgestimmt werden.The production of the encoder is particularly easy because it is on one
Immersion bodies made of ferromagnetic material only one layer
good electrical, but not ferromagnetic material
must be brought. In a simple way, by changing the
Layer thickness of the two materials and the Fre used
frequency of the alternating current of the displacement sensor to the necessary measuring ratio
nisse be coordinated.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Weggebers möglich.The measures listed in the subclaims provide for
partial training and improvements in the main claim
specified path encoder possible.
Zeichnungdrawing
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die
Fig. 1 zeigt ein Schnittbild durch einen Weggeber, die Fig. 2 ein
Diagramm mit dem schematischen Verlauf des Meßsignals U über die
Eintauchtiefe s, wenn nur mit einem ferromagnetischen Material oder
nur mit einem elektrisch leitendem, aber nicht ferromagnetischem Ma
terial gearbeitet wird und Fig. 3 ein Diagramm mit dem schemati
schen Verlauf des Meßsignals U über die Eintauchtiefe s bei ver
schiedenen Temperaturen, wenn erfindungsgemäß mit den beiden Mate
rialschichten gearbeitet wird.An embodiment of the invention is shown in the drawing and Darge explained in more detail in the following description. Fig. 1 shows a sectional view through a displacement sensor, Fig. 2 is a diagram with the schematic course of the measurement signal U over the immersion depth s when working only with a ferromagnetic material or only with an electrically conductive, but not ferromagnetic Ma material and Fig. 3 is a diagram showing the schematic course of the measurement signal U over the immersion depth s at different temperatures when working according to the invention with the two material layers.
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
In der Fig. 1 ist mit 10 ein Weggeber bezeichnet, dessen Tauchkör
per 11 in einem Spulenkörper 12 aus elektrisch schlecht leitendem
und nicht ferromagnetischem Material z. B. Kunststoff oder austeni
tischer Stahl nahezu reibungsfrei geführt wird. Der Tauchkörper 11
besteht aus einem Rohr 13 aus ferromagnetischem Material, auf dessen
Außenseite eine Hülse 14 aus elektrisch gut leitendem, aber nicht
ferromagnetischem Material, zum Beispiel Aluminium, befestigt ist.
In Fig. 1, 10 denotes a displacement sensor, the immersion body by 11 in a bobbin 12 made of electrically poorly conductive and non-ferromagnetic material z. B. plastic or austenitic steel is performed almost frictionless. The immersion body 11 consists of a tube 13 made of ferromagnetic material, on the outside of which a sleeve 14 made of electrically highly conductive but not ferromagnetic material, for example aluminum, is attached.
Es ist aber auch möglich, statt einer Hülse eine Schicht aus diesem
elektrisch gut leitendem, aber nicht ferromagnetischem Material auf
zubringen. Hierbei ist es besonders einfach, wenn die Schicht auf
der Außenseite des Rohrs 13, das heißt auf der dem Spulenkörper 12
zugewandten Seite angebracht wird. Die Eintauchtiefe des Tauchkör
pers 11 in den Spulenkörper 12 entspricht dabei dem zu messenden
Weg. In der Fig. 1 ist der Tauchkörper 11 in völlig eingetauchtem
Zustand dargestellt. Auf dem Spulenkörper 12, das heißt auf der dem
Tauchkörper 11 abgewandten Seite ist eine Meßspule 15 aufgewickelt.
Über die Meßspule 15 ist eine Abschirmhülse 16 angeordnet. Die Ab
schirmhülse 16 dient dazu, um die Meßspule 15 vor Verschmutzung
durch Umwelteinflüsse und vor äußeren elektromagnetischen Feldern zu
schützen. Die Abschirmhülse 16 ragt in zwei Gehäuseteile 17, 18,
deren Abstand, bzw. deren relative Abstandsänderung zueinander be
stimmt werden soll. Das eine Gehäuseteil 17 ist ortsfest angeordnet
und mit Hilfe von flanschartigen Fortsätzen auf der Abschirmhülse 16
befestigt. Der andere Gehäuseteil 18 ist beweglich, aber fest mit
dem Tauchkörper 11 verbunden. Hierzu ist im Gehäuseteil 18 und im
Tauchkörper 11 je eine Ringnut 19 bzw. 20 ausgebildet, in die ein
Haltering 21 eingreift. Der Tauchkörper 11 wird dadurch entsprechend
der Verschiebung des Gehäuseteils 18 mit bewegt. Der Weggeber 10
kann bei einem pneumatischen oder hydraulischen Element verwendet
werden, wobei der Tauchkörper dann die Kolbenstange des Kolbens und
der Spulenkörper als Hydraulikzylinder ausgebildet sind. Seine An
wendung ist z. B. bei einem Kupplungssteller denkbar.However, it is also possible to apply a layer made of this electrically highly conductive but not ferromagnetic material instead of a sleeve. It is particularly simple here if the layer is applied on the outside of the tube 13 , that is to say on the side facing the coil former 12 . The immersion depth of the Tauchkör pers 11 in the coil body 12 corresponds to the path to be measured. In Fig. 1 of the immersion body is shown in a completely immersed state 11. A measuring coil 15 is wound on the coil body 12 , that is to say on the side facing away from the immersion body 11 . A shielding sleeve 16 is arranged over the measuring coil 15 . From the shield sleeve 16 is used to protect the measuring coil 15 from pollution by environmental influences and from external electromagnetic fields. The shielding sleeve 16 protrudes into two housing parts 17 , 18 , the distance, or the relative change in distance from each other to be determined. One housing part 17 is arranged in a stationary manner and fastened on the shielding sleeve 16 with the aid of flange-like extensions. The other housing part 18 is movable, but firmly connected to the immersion body 11 . For this purpose, an annular groove 19 or 20 is formed in the housing part 18 and in the immersion body 11 , in which a retaining ring 21 engages. The immersion body 11 is thereby also moved in accordance with the displacement of the housing part 18 . The displacement sensor 10 can be used with a pneumatic or hydraulic element, the immersion body then being the piston rod of the piston and the coil body being designed as a hydraulic cylinder. Its application is z. B. conceivable with a clutch actuator.
Im folgenden werden zuerst die jeweiligen Meßeffekte einzeln erläu
tert, das heißt, wenn nur der Meßeffekt auf dem ferromagnetischen
Material oder nur auf dem elektrisch gut leitendem, aber nicht fer
romagnetischem Material ausgewertet würde. Wird die Spule 15 von
einem Wechselstrom durchflossen und erfaßt das magnetische Wechsel
feld der Spule 15 nur ein elektrisch gut leitendes, aber nicht
ferromagnetisches Material, so wirkt nur der sogenannte Wirbelstrom
effekt. Aufgrund der sich auf der Oberfläche des elektrisch gut lei
tendem, aber nicht ferromagnetischem Material ausbildenden Wirbel
ströme ergibt sich eine Verminderung der Induktivität der Meßspule
15, so daß die Höhe der anliegenden Meßspannung U abnimmt. Je weiter
dabei das Material in die Meßspule 15 eindringt, desto größer ist
die Wirbelstromausbildung, da mehr Oberfläche hierzu zur Verfügung
steht. Dadurch erhält man die in der Fig. 2 mit 25, 26, 27 bezeich
neten Meßkurven, die eine negative Steigung aufweisen. Die drei Meß
kurven 25, 26, 27 stellen den Verlauf bei jeweils verschiedenen Tem
peraturen dar, wobei die Kurve 26 zum Beispiel bei einer Temperatur
T1 = 20° und die Kurve 25 bei einer höheren Temperatur von T2 = 110°
und die Kurve 27 bei einer niedrigeren Temperatur von T3 = - 40°
aufgenommen sind. Die Temperaturwerte beziehen sich jeweils auf die
in der Umgebung des Weggebers 10 herrschende Umgebungstemperatur.
Aus der schematischen Darstellung im Diagramm nach der Fig. 2 ist
ersichtlich, daß der Einfluß der Temperatur über den gesamten Meß
bereich unterschiedlich ist. Je weiter der Tauchkörper 11 in die
Meßspule 15 eintaucht, desto größer sind die Abweichungen des Meß
signals von der Kurve 26, die im Diagramm nach der Fig. 2 als Eich
kurve aufzufassen ist. Dieser nun auftretende durch die unterschied
liche Temperatur bewirkte Meßfehler ist nicht direkt proportional
zur Eintauchtiefe s und kann somit in einer Auswerteschaltung nur
schwer kompensiert werden.In the following, the respective measurement effects are first explained individually, that is, if only the measurement effect on the ferromagnetic material or only on the electrically conductive, but not ferro-magnetic material would be evaluated. If an alternating current flows through the coil 15 and detects the alternating magnetic field of the coil 15, only an electrically highly conductive but not ferromagnetic material, only the so-called eddy current effect acts. Due to the eddy currents forming on the surface of the electrically well conductive, but not ferromagnetic material, there is a reduction in the inductance of the measuring coil 15 , so that the level of the applied measuring voltage U decreases. The further the material penetrates into the measuring coil 15 , the greater the eddy current formation, since more surface is available for this. This gives the measurement curves designated 25 , 26 , 27 in FIG. 2, which have a negative slope. The three measurement curves 25 , 26 , 27 represent the course at different temperatures, the curve 26 for example at a temperature T1 = 20 ° and the curve 25 at a higher temperature of T2 = 110 ° and the curve 27 a lower temperature of T3 = - 40 °. The temperature values each relate to the ambient temperature prevailing in the environment of the displacement sensor 10 . From the schematic representation in the diagram of FIG. 2 it can be seen that the influence of the temperature over the entire measuring range is different. The further the immersion body 11 dips into the measuring coil 15 , the greater are the deviations of the measuring signal from the curve 26 , which is to be understood as a calibration curve in the diagram according to FIG. 2. This measuring error caused by the different temperature is not directly proportional to the immersion depth s and can therefore only be compensated for with difficulty in an evaluation circuit.
Ist im Unterschied die Meßspule 15 von einem Wechselstrom durchflos
sen und liegt ihr nur ein ferromagnetisches Material gegenüber, so
beruht die Meßsignalauswertung auf dem sogenannten ferromagnetischen
oder induktiven Effekt. Das magnetische Wechselfeld der von dem
Wechselstrom durchflossenen Spulen erfaßt die Oberfläche des ferro
magnetischen Materials. Aufgrund der ferromagnetischen Beschaffen
heit wird beim ferromagnetischen Effekt die mit größer werdender
Eindringtiefe s des Tauchkörpers 11 in die Meßspule 15 eine
Induktivitätserhöhung der Spule bewirkt. Dies bedeutet, daß die
Meßkurven 28, 29 und 30 im Diagramm nach der Fig. 2 eine positive
Steigung aufweisen. Die drei Meßkurven für den ferromagnetischen
Effekt sind bei denselben Temperaturen T1, T2, T3 wie bei dem Wir
belstromeffekt aufgenommen. Es ist aber darauf hinzuweisen, daß bei
ferromagnetischem Material sowohl der ferromagnetische Effekt als
auch der Wirbelstromeffekt wirkt. Während, wie oben ausgeführt, der
Wirbelstromeffekt eine Verminderung der Induktivität der Meßspule
hervorruft, bewirkt der ferromagnetische Effekt eine Erhöhung der
Induktivität der Spule. Welcher von beiden Effekten überwiegt, ist
primär von der Frequenz des Wechselstroms, der die Spule 19 durch
fließt, abhängig. Je höher dabei die Frequenz ist, desto größer ist
der Anteil des Wirbelstromeffektes. Die in der Fig. 2 dargestellten
Kurven sind aber bei gleicher Frequenz, von zum Beispiel 5000 Hz
aufgenommen. Die Änderung der Induktivität der Spule beim ferromag
netischen Effekt ist wiederum abhängig von der Eintauchtiefe s. Fer
ner herrscht wiederum kein linearer Einfluß der Temperatur auf das
Meßsignal U. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß bei größerer Ein
tauchtiefe s der durch die Temperatur bewirkte Meßfehler bei der
Temperatur T2 und bei der Temperatur T1 sich abhängig von der Ein
dringtiefe verändert.In contrast, if the measuring coil 15 is flowed through by an alternating current and is only opposite a ferromagnetic material, the measurement signal evaluation is based on the so-called ferromagnetic or inductive effect. The alternating magnetic field of the coils through which the alternating current flows detects the surface of the ferromagnetic material. Due to the ferromagnetic properties of the ferromagnetic effect, the inductance of the coil increases with the increasing depth of penetration s of the immersion body 11 into the measuring coil 15 . This means that the measurement curves 28 , 29 and 30 in the diagram according to FIG. 2 have a positive slope. The three curves for the ferromagnetic effect are recorded at the same temperatures T 1 , T 2 , T 3 as in the Belstromeff we. It should be noted, however, that both the ferromagnetic effect and the eddy current effect act on ferromagnetic material. While, as stated above, the eddy current effect causes a reduction in the inductance of the measuring coil, the ferromagnetic effect causes an increase in the inductance of the coil. Which of the two effects predominates depends primarily on the frequency of the alternating current flowing through the coil 19 . The higher the frequency, the greater the proportion of the eddy current effect. The curves shown in FIG. 2 are, however, recorded at the same frequency, for example 5000 Hz. The change in the inductance of the coil in the ferromagnetic effect is in turn dependent on the immersion depth s. Fer ner again has no linear influence of the temperature on the measurement signal U. From the diagram it can be seen that with a larger immersion depth s the measurement error caused by the temperature at temperature T 2 and at temperature T 1 changes depending on the penetration depth .
Wie bereits oben erwähnt, gibt es bei ferromagnetischem Material
keinen Frequenzbereich, in dem ausschließlich der ferromagnetische
bzw. ausschließlich der Wirbelstromeffekt auftritt. Werden nun die
Parameter, das heißt die Stoffeigenschaften des Tauchkörpers, zum
Beispiel die Schichtdicke der beiden verwendeten Materialien, und
die Höhe der Frequenz des Wechselstroms, der die Spule 15 durch
fließt, aufeinander abgestimmt, kann ein nahezu paralleler Verlauf
der Meßkurven bei unterschiedlichen Temperaturen erreicht werden.
Dieser parallele Verlauf ist in der Praxis nahezu über den gesamten
Meßbereich möglich. Nur in den beiden Endbereichen ergeben sich so
genannte Nullpunktsdriften, die relativ leicht in einer elektrischen
Auswerteschaltung kompensiert werden können. Ferner ist bei der kon
struktiven Ausgestaltung des Weggebers 10 die Spule 15, in axialer
Richtung gesehen, länger ausgebildet als der Bewegungsbereich des
Tauchkörpers 11. Dadurch ist es möglich, im Randbereich der Meßspule
15 entstehende inhomogene Magnetfelder für die Erzeugung des Meßsig
nals nicht heranzuziehen. Die in Fig. 3 dargestellten Meßkurven 31,
32, 33 entstehen, indem mit einer Meßspule 15 ein Tauchkörper 11 ab
gegriffen wird, auf dem sowohl der Wirbelstromeffekt als auch der
ferromagnetische Effekt herrschen. Da die beiden Effekte eine unter
schiedliche Steigung und eine entgegengesetzte Temperaturabhängig
keit aufweisen, ist es somit möglich, eine Temperaturkompensation
durchzuführen. Selbstverständlich ist es dabei auch möglich, statt
mit der in der Fig. 1 dargestellten einlagigen Meßspule auch mit
mehrlagigen Meßspulen zu arbeiten. Ferner ist es auch möglich, meh
rere Meßspulen übereinander anzuordnen, die dann entsprechend in
einer Auswerteschaltung elektrisch miteinander verschaltet sind. In
einem Ausführungsbeispiel wurde als ferromagnetisches Material z. B.
unlegierter Stahl mit einer Schichtdicke von 2,5 mm und als elek
trisch gut leitendes, aber nicht ferromagnetisches Material Alumini
um mit einer Schichtdicke von 1 mm bei einer Frequenz von 5000 Hz
des Wechselstroms verwendet.As already mentioned above, with ferromagnetic material there is no frequency range in which only the ferromagnetic or only the eddy current effect occurs. If the parameters, that is to say the material properties of the immersion body, for example the layer thickness of the two materials used, and the level of the frequency of the alternating current flowing through the coil 15 are coordinated with one another, an almost parallel course of the measurement curves can be achieved at different temperatures will. In practice, this parallel course is possible over almost the entire measuring range. So-called zero point drifts occur only in the two end regions, which can be compensated for relatively easily in an electrical evaluation circuit. Furthermore, in the con structive configuration of the displacement sensor 10, the coil 15 , viewed in the axial direction, is longer than the range of motion of the immersion body 11 . This makes it possible not to use inhomogeneous magnetic fields in the edge region of the measuring coil 15 to generate the measuring signal. The measuring curves 31 , 32 , 33 shown in FIG. 3 arise by gripping a plunger 11 with a measuring coil 15 , on which both the eddy current effect and the ferromagnetic effect prevail. Since the two effects have a different slope and an opposite temperature dependency, it is therefore possible to carry out temperature compensation. Of course, it is also possible to work with multi-layer measuring coils instead of the single-layer measuring coil shown in FIG. 1. Furthermore, it is also possible to arrange a plurality of measuring coils one above the other, which are then electrically connected to one another in an evaluation circuit. In one embodiment, z. B. unalloyed steel with a layer thickness of 2.5 mm and used as an electrically conductive but not ferromagnetic material aluminum with a layer thickness of 1 mm at a frequency of 5000 Hz of the alternating current.