JPH04504304A - 非接触変位測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 非接触変位測定システム 本発明は、交流で作動し、測定側と接続側を有するセンサー、電源／評価ユニッ ト、センサーから電源／評価ユニットに通じ好ましくは２つの内部導線を有する ケーブルを具えた非接触変位測定システムに関するもので、前記センサーは、ハ ウジングと、ハウジング内の少なくとも１つのコイルと、ケーブルの内部の導線 からコイルへ又は各々のコイルに通じる接続線、そして必要ならば、コイル又は 各々のコイル及び接続線を固定する埋め込み物質を有している。

長年にわｉす、様々な形式の非接触変位測定システムが知られていた。これらは 、作動の基本的な形式により、第一に、渦巻き電流を基礎とした変位測定システ ムと、誘導性（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ）で容量性（ｃａｐａｃｉｔａｔｉｖｅ）の 変位測定システム、第二、に光学的又は音響学的変位測定システムに分類されつ る。

本発明は、少なくとも↓つのコイルを具えたセンサーからなる非接触変位測定シ ステム、すなわち、渦巻き電流又は誘導（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）を基礎にした変 位測定システムに関するものである。

渦巻き電流測定法により作動する変位測定システムにおいては、高周波数の交流 電流は、通常ハウジング内にあるコイルを流れ、これは、コンデンサーの並列接 続により振動回路を形成する。この過程で、コイルから電磁場が発生する。この 場は、電導性の物体中に渦巻き電流（ｅｄｄｙ　ｃｕｒｒｅｎｔ）を惹起し、こ れは、振動回路からエネルギーを引き出す。主として、比較的高い作動周波数で は、誘導された渦巻き電流の反作用が生じ、これは、バッグ誘導として、コイル のインピーダンスの実部を変化させる。コイルのインピーダンスの虚部に対する 影響は、この過程において、磁気的特性と作動周波数に依存する。

非磁性の測定物は、コイルに近づくと、コイルのインダクタンスを減少させる。

振動回路の振幅は、間隔の関数として変化する。復調され、線形にされ、且つ、 必要に応じて増幅されると、振幅における変化は、センサーと測定目的物の間隔 に比例して変化する電圧をもたらす。

誘導（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ）測定法の場合、センサーに設けられているコイルは 、さらに振動回路の一部でもある。電導性の測定物が近づくと、コイルのインピ ーダンスの虚部が主として変化する。このことは、主として低い作動周波数、す なわち、数１００　ｋＨｚまでの作動周波数の場合に当てはまる。磁性の対象物 はコイルに近づくにつれてインダクタンスを増し、非磁性対象物はインダグタン スを減らす。またここで、復調された出力信号は、センサーと測定物の間の距離 に比例する。

渦巻き電流測定法の場合及び誘導測定法のいずれにおいても、電気的に、及び／ 又は磁気的に伝導性の測定物が近づく場合に、センサーに設けられている測定コ イルのインピーダンスの変化が測定される。このようにして、測定信号は、測定 すべき距離と対応することになる。

センサーと測定すべき対象物の間隔の変化により起こるインピーダンスの変化は 、このように、一方ではコイルのインダグタンスの変化、他方ではコイルの実抵 抗の変化に起因する。従って、コイルのインピーダンスの虚部は、とりわけ、測 定コイルの自己静電容量、そしてこのようにセンサーの全体的形状により、あら かじめ決まってくる。従って、測定の間にセンサーから発する電気力線も、セン サーの自己静電容量に対して決定的である。

電導性の測定物がセンサーに近づくと、センサーから発する電場もそれによって 影響される。このことは、相対的に高い誘電率の対象物が近づくときにも同様に 当てはまる。その結果、センサーと実際の測定物の間に置かれる高い誘電率の物 質は、自己静電容量及び測定コイルの総静電容量に変化を生じさせる。

例えば、水（Ｅｒ七８０）がセンサーと測定の対象物の間に入り込むと、測定コ イルの自己静電容量は影響を受けるであろう。従来のセンサーの場合、静電容量 の変化は、わずか数ｐＦである。水又は他の高誘電率の物質が継続的に存在して いる場合には、測定システムの較正（ｃａｌ　ｉｂｒａｔｉｎｇ）において、コ イルの自己静電容量に対する水の影響を考慮することができるであろう、しかし ながら、センサーと測定物の隙間が、例えば、水滴に対して防水になっていない 場合、すなわち、外部から水がコントロールされずに一時的に測定域に入り込ん だ場合、距離の測定に誤差が生じるであろうし、これはセンサーと測定物の距離 の増大に従って増加する。この理由は、センサーと測定物の間の距離が大きくな ると、測定物が動くことによるコイルのインピーダンスの変化はわずがなもので しかなくなるためである。

作動周波数、すなわち、各共振周波数は、既知の次の公式によって算出される。

ここでＣ＄ｐｕｌｅはセンサーのコイルの自己静電容量、モしてＣＥｒｇ　は所 望の周波数のための補充的（ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｌ）静電容量を示している 。

静電容量ＣＥｒｇ　はコイルの自己静電容量よりもかなり大きいため、低周波数 では、所与のインダクタンスしにおいて、共振周波数の変化率はごくわずかであ る。しかし、Ｃ、Ｅｒｇが相応して減少するため、共振周波数の変化率は周波数 の自乗に比例して増加する。このことは、ＩＭＨｚにおける影響は、１００ｋＨ ｚの場合よりも１００倍大きいことを示している。

従って、高誘導率の流体又は固体が測定値に及ぼす影響が殆ど解消されるような 非接触変位測定システムを提供することが本発明の目的である。

本発明による非接触変位測定システムでは、センサーの測定側にシールドが配さ れていることにより上記のような課題が解決され、前記シールドは、一方では、 コイルから発する電気力線を少なくとも殆ど通さず、他方では、コイルから発す る電磁力線を少なくとも殆ど通す。

本発明よれば、センサーから通常発する電気力線が外方向にシールドされている とき、すなわち、電場が全方向にシールドされているとき、測定域に位置する高 誘導率の流体又は固体が測定値に及ぼす影響はなくすることができることがわか った。電場をシールドするために使用される物質は、測定のため必要な電磁場に 殆ど影響を与えないか、又はごくオ）すかしか影響を与えない。

本発明の教示をさらに拡張し発展させる多様な可能性がある。この目的のため、 第１に請求の範囲第１項とそれに続く従属項、そして第２に、図面を参照してな される実施例の説明を参照されたい。図面を参照してなされる好適実施例の説明 に関連して、一般的な好適実施例及び教示のさらなる発展性が説明されるであろ う。図面に例示されているものは、次のとおりである。

第１図は、非接触変位測定の基礎となる測定原理の概要図である。

第２図は、第１図の測定原理に従って作動する、典を的なセンサーの概要図であ る。

第３図は、第２図のセンサーの拡大された部分的概要図であるとともに、センサ ーから発する電気力線の図である。

第４図は、本発明の非接触変位システムによる、シールドを具えたセンサーの概 要図である。

第１図には、渦巻き電流測定法に従い、また誘導測定法に従った、非接触変位測 定の基礎となる既知の測定原理が描かれている。簡単のため、コイル１だげによ って示されているセンサー２は、ケーブル６の内部の導線５を通って電源／評価 ユニット７に通じる接続線４により接続側３につながれている。コイル１、すな わち、各センサー２から、電磁場が広がり、すなわち、電磁力線９が測定物１０ の方に広がり、そこで閉じる。測定物１０が電導性である場合、一方では測定物 １０内に渦巻き電流が誘導され、他方ではコイルのインダクタンスが変化する。

測定物１０が鉄性であれば、コイルのインダグタンスの変化が見られるであろう 。

第２図には、渦巻き電流測定法又は誘導測定法により作動する、既知の非接触セ ンサー２の基本的な構成が描かれている。センサー２は、実質的にハウジング１ １゜その中に収められているコイル１、ケーブル６、すなわち、ケーブル６の内 部の導線５に通じる接続線４、及びセンサーのハウジング１１の内部にコイル１ を固定するための埋め込み物質１３を含んでいる。第２図には図示されていない 、電源／評価ユニット７につながっているケーブル６は、電場と電磁場に対して シールドされていることが好ましく、同軸ケーブルが好適である。

第２図に示されているセンサーの作動においては、既に知られているように、変 位測定に必要な電磁力線と電気力線は測定物の存在する外方向に出る。第３図で は、センサー２と実際の測定の対象物１０の間の測定区域に置かれている相対的 に高い誘電率Ｅｒの物体１４が及ぼす影響が明瞭に示されている。そこから生じ る電気力線１２への影響は、コイル１の自己静電容量の変化をもたらす。

第４図は、本発明による非接触変位測定システムの、センサー２の部分図である 。第１図及び第２図に示されているように、このような変位測定システムは、実 質的に測定側８及び接続側３、電源／評価ユニット７、及びセンサーから電源／ 評価ユニット７に通じる２つの内部導線５を含むケーブル６かもなる。簡単のた め、第４図の説明図では、センサー２の測定側８だけが示されている。

センサー２はハウジング１１、センサーのハウジングｌｌ中に配されているコイ ル１、ケーブル６の２つの内部導線５からコイル１に通じる２つの接続線４、及 びコ含んでいる。付加的コイル、例えば、温度の補正のための参照コイルを、セ ンサーハウジングの内部に配することも可能である。同様に、センサーハウジン グの中で測定コイルとして作動する数本のコイルを設けることも可能である。

埋め込み物質に関しては、この目的に使われる物質は、センサーの場の状態、す なわち、高温度下であるか否か、かなりの圧力の変動下であるか否が、有害な雰 囲気中であるか否か等に依存して選択されるということを指摘すべきであろう。

第４図には、シールド１５がセンサー２の測定側に設けられていることが明瞭に 示されている。このシールド１５は、コイル１から発する電気力線１２の大部分 を通さない反面、第４図には示されていないが、コイル１がら発する電磁力線の 大部分は通す。

本発明の非接触変位測定システムの好適実施例において、上記シールドは、コイ ルにじかに装着することができる。そうする場合、コイルを取り囲むものとして 電気力線のためのシールドをつくると、特に有利である０例えば、フェスをコー ティングするというように、製造の見地からは単純な方法で、シールドはコイル を取り囲むことが可能である。同様に、コイルの上にシールドを蒸着させること も考えられ、それによって特に薄い層をつくることもできる。このようなシール ドの構成によって、ハウジングの内部のコイルとともに、シールドは埋め込み物 質によって保護されるであろう。

第４図の実施例によれば、シールド１５はセンサー２の測定側８に配されるカバ ー１６として設計されている。

カバー１６は、同時に測定側でセンサー２のハウジング１１をふさいでおり、そ のため、攻撃的（ａｇｒｅｓｓ　１ｖｅ）な媒体、温度、又は圧力に対して、コ イルｌ又は埋め込み物質１３を保護することにも役立つ。

カバーは、他の方法でセンサーに取付けることもできる。例えば、測定側のセン サーのハウジング上に、構成上簡単な方法で、カバーを滑らせることができる。

同様に、カバーのねじ込み方式も考えられる。上記のようなカバーの取り付は方 式の可能性によって、例えば、破損の結果、必要が生じた場合に、カバーを容易 に交換できるという利点がある。

同様に、例えば接着により、カバーをセンサーのハウジング、又は埋め込み物質 に接合することも考えられる。

最後に、センサーのハウジングの材料と一体的にカバーを取り付けることもでき る。上記の除去可能なカバーと異なり、センサーのハウジングに固定されている カバーは、センサーが有害な雰囲気中で使用されたとき、特に有益な、センサー ハウジングの効果的なシールを形成する。

これから後は、センサーから発する電気力線をシールドするために考えられる物 質について述べることとする。

例えば、適当な電気力線のシールドは電導性の物質によって達成される。しかし 、測定に必要な電磁場は、同時にシールドすることは不可能であるため、このよ うなシールドは薄い層で設けることが必要となる。従って、シールドは、電導性 のプラスティラグ、又は黒鉛からなっていてもよい。電導性の物質によって、セ ンサーから発する電場をシールドするのに重要なことは、シールドが国際調査報 告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．交流電流で作動し、測定側（８）と接続側（３）を有するセンサー（２）、 電源／評価ユニット（７）、及び前記センサー（２）から延び前記電源／評価ユ ニット（７）に接続されたケーブル（６）を具え、前記センサー（２）は、ハウ ジング（１１）、該ハウジングに収められ電気的に絶縁されて巻かれた少なくと も１つのコイル（１）、前記ケーブル（６）の内部の導線（５）から前記コイル （１）にいたる接続線（４）、及びもし必要なら、前記コイル（１）及び接続線 （４）を固定するための埋め込み物質（１３）を含む非接触変位測定システムで あって、一方で、前記コイル（１）から発する電気力線（１２）の少なくとも大 部分を通さず、他方で、前記コイル（１）から発する電磁力線の少なくとも大部 分を通すシールド（１５）が前記センサー（２）の測定側（８）に設けられてい ることを特徴とする、非接触変位測定システム。 ２．前記シールドが前記コイルに直接設けられていることを特徴とする、請求の 範囲第１項の変位測定システム。 ３．前記シールドがコイルを囲むように設けられていることを特徴とする、請求 の範囲第２項の変位測定システム。 ４．前記シールドが、前記コイルを包むワニスの層として設けられていることを 特徴とする、請求の範囲第３項の変位測定システム。 ５．前記シールドが前記コイルの上に蒸着されていることを特徴とする、請求の 範囲第３項の変位測定システム。 ６．前記シールド（１５）が前記センサー（２）の測定側（８）設けられたカバ ー（１６）として構成されていることを特徴とする、請求の範囲第１項の変位測 定システム。 ７．前記カバー（１６）が測定側でセンサーのハウジング（１１）をふさぐこと を特徴とする、請求の範囲第６項の変位測定システム。 ８．前記カバーが測定側でセンサーのハウジングの上に滑らされることを特徴と する、請求の範囲第６項又は第７項の変位測定システム。 ９．前記カバーが測定側でセンサーのハウジングにねじで取り付けられることを 特徴とする、請求の範囲第６項又は第７項の変位測定システム。 １０．前記カバーが測定側で前記センサーのハウジング又はセンサーの埋め込み 物質に接着されていることを特徴とする、請求の範囲第６項又は第７項の変位測 定システム。 １１．前記カバーが前記センサーのハウジングの材料と一体的に接続されている ことを特徴とする、請求の範囲第６項又は第７項の変位測定システム。 １２．前記シールドが薄い層でつくられ、電導性の材料からなることを特徴とす る、請求の範囲第１乃至第１１項の変位測定システム。 １３．前記シールドが電導性のプラスティックからなることを特徴とする、請求 の範囲第１２項の変位測定システム。 １４．前記シールドが黒鉛からなることを特徴とする、請求の範囲第１２項の変 位測定システム。 １５．前記シールドがセラミックから成ることを特徴とする、請求の範囲第１乃 至第１１項の変位測定システム。 １６．前記シールドが∈≧１０００の比誘電率を持つことを特徴とする、請求の 範囲第１２項の変位測定システム。