WO2016128021A1 - Magnetostriktive wegmessvorrichtung - Google Patents

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WO2016128021A1
WO2016128021A1 PCT/EP2015/052643 EP2015052643W WO2016128021A1 WO 2016128021 A1 WO2016128021 A1 WO 2016128021A1 EP 2015052643 W EP2015052643 W EP 2015052643W WO 2016128021 A1 WO2016128021 A1 WO 2016128021A1
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WO
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waveguide
measuring device
distance measuring
tube
magnetostrictive
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/052643
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English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Beutler
Roland Holder
Original Assignee
Balluff Gmbh
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Publication date
Application filed by Balluff Gmbh filed Critical Balluff Gmbh
Priority to PCT/EP2015/052643 priority Critical patent/WO2016128021A1/de
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/48—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using wave or particle radiation means
    • G01D5/485—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using wave or particle radiation means using magnetostrictive devices

Definitions

  • the invention relates to a magnetostrictive path measuring device comprising at least one sensor.
  • the invention has for its object to provide a magnetostrictive distance measuring device of the type mentioned, which is easy to handle.
  • the sensor is flexurally flexible, and a magnetic position sensor is provided which couples without contact to the at least one sensor, wherein the at least one sensor comprises a waveguide and a return conductor, and wherein the waveguide is mounted in an elastic bearing tube and the return conductor is arranged in a wall of the bearing tube or the return conductor is arranged in a wall of a carrier tube, in which the bearing tube is positioned.
  • an exciting current pulse originating from a measuring interface triggers a measurement.
  • the excitation current pulse is in turn triggered by means of a start signal, which provides the measurement interface.
  • the excitation current generates a circular magnetic field on the waveguide, which is bundled in this due to soft magnetic properties of the waveguide.
  • magnetic field lines of the position transmitter are perpendicular to the circular magnetic field and are in the
  • the wave travel time is proportional to the distance between the position sensor and the pick-up coil. Through a time measurement, the distance between the pick-up coil and the position sensor can be determined with high accuracy. As a result, the position of the position sensor on the sensor can be determined with high accuracy.
  • the primary measurement signal for the time measurement is the excitation current pulse on the
  • Waveguide or the start signal which has triggered the excitation current pulse, and the reaction pulse to the excitation current pulse, which is supplied with a time delay in dependence on the position of the position sensor by the pick-up coil.
  • the return conductor is embedded in the wall of the bearing tube or the carrier tube. This makes it easy to position the return conductor during the manufacture of the sensor.
  • the embedding means that the return conductor is completely surrounded by material of the wall of the bearing tube or of the carrier tube and this material mechanically contacts the return conductor. It is particularly advantageous if the waveguide is arranged co-centrically to the bearing tube and the return conductor is arranged acentrically to the bearing tube. It is thereby prevented at a bend of the probe as a whole torsion or prevents a translation shift of the waveguide to the probe.
  • the bearing tube is made of an electrically insulating material and in particular made of a silicone material.
  • the bearing tube thereby ensures electrical insulation between the return conductor and the waveguide.
  • the bearing hose is arranged in the carrier tube.
  • the carrier tube ensures a corresponding mechanical stability.
  • the support tube allows a bending flexibility of the probe.
  • the support tube is a glass fiber tube, which allows a bending flexibility.
  • the support tube completely surrounds the bearing tube in relation to a cross section. This optimally protects the waveguide with the bearing hose.
  • the carrier tube has a circular cross-section. This allows the combination of carrier tube, bearing tube and waveguide form rotationally symmetrical.
  • the waveguide is arranged co-centrically to the carrier tube. In a bend of the probe as a whole, this can prevent a torsion of the waveguide. It settles Prevent buckling of the waveguide. A translational displacement of the waveguide due to a bend of the probe is prevented. For the same reason, it is favorable if the measuring sensor is designed to be rotationally symmetrical relative to a longitudinal axis with respect to the waveguide and the bearing hose.
  • a damper is arranged at the at least one measuring sensor.
  • the damper provides the attenuation of back-reflected waves. This achieves an improved signal quality.
  • the gearing unit is electrically connected to the damper. This also results in a simple integratability of the return conductor to the sensor.
  • the damper comprises a metal element to which the back conductor and the waveguide are connected.
  • the damper is disposed in the region of one end of the probe. This results in a large gauge length. It is envisaged that the waveguide in the sensor is guided by a signal converter device to the damper. Exciter current pulses can be generated by the signal converter device. Furthermore, an evaluation signal can be generated via the signal converter device.
  • the signal converter device is, for example, a coil device or a piezo device.
  • the damper is fixedly arranged on the carrier tube and is arranged in particular in the region of one end of the carrier tube.
  • the solution according to the invention are also at a bend of the probe Torsions of the waveguide or a translation displacement of the waveguide to the support tube prevented.
  • a fixed positioning of the damper on the support tube is possible. This results in a mechanically stable design of the probe.
  • the return conductor is formed by a metal wire such as a copper wire. It can thus be easily positioned in the wall of the elastic bearing tube.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of a Wegmessvoroplasty invention
  • Figure 2 is a schematic representation of a sectional view of a
  • Figure 3 is a sectional view taken along line 3-3 of Figure 2;
  • Figure 4 is a schematic representation of a sectional view of a second
  • Figure 5 is a sectional view taken along the line 5-5 of Figure 4; and Figure 6 is a schematic representation of the magnetostrictive
  • FIG. 1 An embodiment of a magnetostrictive displacement measuring device according to the invention, which is shown in FIG. 1 and designated therein by 10, comprises a displacement transducer 12, a magnetic position transmitter 14 and a measurement interface 16.
  • the measurement interface 16 is arranged in a housing 18.
  • the housing 18 has a connection 20 and in particular a plug connection 20, via which the measurement interface 16 can be supplied with electrical energy and via which data and in particular
  • Position data with respect to the position of the position sensor 14 on the position transducer 12 are provided.
  • the measuring interface 16 comprises in particular a control device for the displacement transducer 12 and an evaluation device.
  • the transducer 12 is designed as a magnetostrictive transducer. It is formed with a probe 22. About the sensor 22, a measuring section 24 is defined. The sensor 22 is held on the housing 18.
  • the sensor 22 is flexurally flexible. It comprises (FIGS. 2 and 3) a waveguide 26.
  • the waveguide 26 is in particular a wire waveguide. In a measuring operation, the waveguide 26 extends in a longitudinal direction 28 and defines a measuring range.
  • the waveguide 26 is arranged in a bearing tube 30 made of an elastic material.
  • the bearing tube 30 is made of an electrically insulating material. For example, it is made of a silicone material.
  • the bearing tube 30 has a wall 32 which surrounds the waveguide 26 in cross-section (see FIG.
  • the waveguide 26 is in particular rotationally symmetrical to a longitudinal axis 34.
  • the bearing tube 30 is rotationally symmetrical to a longitudinal axis 36.
  • the longitudinal axis 34 and the longitudinal axis 36 fall in this case, that is, the bearing tube 30 is arranged co-centric to the waveguide 26.
  • punctiform bearing points 38 for the waveguide 26 can be formed on the bearing tube 30.
  • the waveguide 26 is supported on the wall 32 of the bearing hose 30 or at these points an increased pressure force for a press fit is provided for a support.
  • the waveguide 26 is positioned in an inner space 40 of the bearing tube 30, which is surrounded by the wall 32.
  • waveguide 26 and bearing tube 30 is in one
  • Support tube 42 arranged with a wall 43.
  • the support tube 42 is flexurally flexible.
  • the support tube 42 ie, its wall 43
  • the support tube 42 (that is, its wall 43) is in particular made of an electrically insulating material.
  • the support tube 42 completely surrounds the bearing tube 30; the bearing tube 30 is arranged in an inner space 44 of the support tube 42.
  • the waveguide 26 is associated with a return conductor 46 in order to provide a closed electrical circuit can.
  • the waveguide 26 is electrically connected to a first terminal 48.
  • the return conductor is electrically connected to a second terminal 50.
  • the first connection 48 and the second connection 50 are arranged in the housing 18 or are arranged in the region of an end 52 of the support tube 42, which sits on or in the vicinity of the housing 18.
  • a damper 56 is seated on the support tube 42.
  • the damper 56 serves to dampen back reflection waves.
  • the damper 56 includes a metal member 58 such as a
  • the waveguide 46 is electrically connected to this metal element 58. Furthermore, the return conductor 46 is connected to this metal element 58.
  • the metal element 58 is positioned, for example, in the interior 44 of the support tube 42 at or near the end 54.
  • the damper 56 further includes a mechanical damping element 60 made of an elastic material. This mechanical damping element 60 serves to dampen mechanical waves by elastic energy absorption.
  • the mechanical damping element 60 is made of a silicone material, for example.
  • the mechanical damping element 60 is positioned on the metal element 58 projecting into the interior 44.
  • a region 62 of the waveguide 26 is guided through the mechanical damping element 60 to the metal element 58.
  • the return conductor 46 is formed for example as a wire conductor. It is guided by the metal element 58 through the wall 32 of the bearing tube 30 to the second port 50.
  • the return conductor 46 is disposed in the wall 32 of the elastic bearing tube 30. It is embedded in the wall 32 of the bearing tube 30.
  • the return conductor 46 is positioned acentrically to the longitudinal axis 34 of the waveguide 26 or the longitudinal axis 36 of the bearing tube 30.
  • the return conductor 46 is located in the bearing tube 30 between the waveguide 26 and the support tube 42.
  • the bearing tube 30 provides electrical isolation between the waveguide 26 and the return conductor 46 outside the region 62.
  • the return conductor 46 is positioned in the interior 44 of the support tube 42 both spaced from a wall of the support tube 42 and spaced from the waveguide 26.
  • the mechanical damping element 60 which is made of an electrically insulating material, provides electrical insulation between the waveguide 26 and the return conductor 46.
  • the sensor 22 includes a signal converter 64 which serves to generate an excitation current pulse 66 (FIG. 6).
  • the signal converter device 64 includes, for example, a pick-up coil or a
  • a second embodiment of a Wegmessvor- inventive device which is shown in Figures 4 and 5, is basically the same design as the first embodiment.
  • the same reference numerals are used for the same elements.
  • the path measuring device has a support tube 42 ', in which a bearing tube 30' is positioned.
  • the waveguide 26 is in turn positioned in the bearing tube 30 '.
  • This return conductor 46 ' is arranged in the wall 43 of the support tube 42' and embedded in particular.
  • the Wegmessvoroplasty according to the second embodiment is the same as the Wegmessvortechnische formed according to the first embodiment.
  • the mode of operation of the magnetostrictive path measuring device 10 is explained schematically with reference to FIG. 6:
  • the control device of the measuring interface 16 provides the measuring sensor 22 with a start signal.
  • an exciter current pulse 66 on the waveguide 26 is triggered on the coil device 64.
  • the excitation current pulse 66 generates on the waveguide 26 a circular magnetic field 68, which is formed due to soft magnetic properties of the waveguide 26 in this.
  • the position sensor 14 is positioned. Its magnetic field lines 72 extend at right angles to the circular magnetic field 68 and are likewise formed in the waveguide 26.
  • Waveguide 26 in opposite directions 74, 76 propagating mechanical wave (elastic wave).
  • the propagation speed of this wave in the waveguide 26 is in particular of the order of about
  • the damper 56 is arranged at the end 54 of the waveguide 26, the damper 56 is arranged.
  • the current to the end 54 transonic wave is attenuated, so that an amplitude of the reflected at the end 54 portion of the wave in the signal detection against the amplitude of directly (in the direction 74) propagating wave is smaller and in particular considerably smaller .
  • the pick-up coil of the coil device 64 an electrical signal is generated by reversing the magnetostrictive effect and magnetic induction, which is the measurement interface 16 is provided and which is evaluated in the evaluation.
  • Coil means 64 is directly proportional to the distance between the
  • the primary measurement signal for the time measurement is the electrical signal of the pick-up coil 146, which is offset in time to the start signal (which has triggered a field current pulse 66) as a function of the distance between the pick-up coil and the position sensor 14 of the pick -up coil is supplied to the measurement interface 16.
  • the waveguide 26, the bearing tube 30 or 30 'and also the support tube 42 or 42' are arranged concentrically to one another.
  • a longitudinal axis 78 of the support tube 42 or 42 ' is concentric with the longitudinal axes 34, 36.
  • the inventive solution with concentric arrangement of the waveguide 26 to the support tube 42 or 42 'and embedding of the return conductor 46 and 46' in the wall 32 of the bearing tube 30 and the wall 43 of the support tube 42 'can for the storage or transport of the Probe 22 of this will be rolled.
  • This is advantageous if a long measuring distance is required, for example, by this means measuring probes 22 with a measuring length of 20 m can be realized. Due to the flexible design, the sensor 22 for transport and
  • Rolling must be rolled accordingly, that means that no rigid measuring probe with a length of at least the measuring length has to be provided.
  • the sensor 22 is a flexible measuring rod, wherein at the end 54 of the damper 56 fixed to the support tube 42 and 42 'is connected and also firmly connected. This results in a flexible sensor 22, which has a high mechanical stability and allows high measurement accuracy, storage and transport problems are avoided, even if large measurement lengths are to be provided.
  • the senor 22 can be rolled with a diameter of the corresponding roller in the order of about 1 m.

Abstract

Es wird eine magnetostriktive Wegmessvorrichtung vorgeschlagen, welche mindestens einen Messfühler (22), welcher biegeflexibel ausgebildet ist, und einen magnetischen Positionsgeber (14), welcher berührungslos an den mindestens einen Messfühler (22) koppelt, umfasst, wobei der mindestens eine Messfühler (22) einen Wellenleiter (26) und einen Rückleiter (46) umfasst, und wobei der Wellenleiter (26) in einem elastischen Lagerschlauch (30; 30') gelagert ist und der Rückleiter (46) in einer Wandung (32) des Lagerschlauchs (30) angeordnet ist oder in einer Wandung (43) eines Trägerrohrs (42') angeordnet ist, in welchem der Lagerschlauch (30') positioniert ist.

Description

Magnetostriktive Wegmessvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine magnetostriktive Wegmessvorrichtung, umfassend mindestens einen Messfühler.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetostriktive Wegmessvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche auf einfache Weise handhabbar ist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten magnetostriktiven Wegmessvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Messfühler biegeflexibel ausgebildet ist, und ein magnetischer Positionsgeber vorgesehen ist, welcher berührungslos an den mindestens einen Messfühler koppelt, wobei der mindestens eine Messfühler einen Wellenleiter und einen Rückleiter umfasst, und wobei der Wellenleiter in einem elastischen Lagerschlauch gelagert ist und der Rückleiter in einer Wandung des Lagerschlauchs angeordnet ist oder der Rückleiter in einer Wandung eines Trägerrohrs angeordnet ist, in welchem der Lagerschlauch positioniert ist.
Durch die Positionierung des Wellenleiters in dem elastischen Lagerschlauch und durch die Anordnung des Rückleiters in der Wandung des Lagerschlauchs oder des Trägerrohrs ist es möglich, eine rotationssymmetrische Anordnung des Wellenleiters zu erhalten.
Dadurch wird bei einer Biegung des Messfühlers ein Ausknicken des Wellenleiters verhindert beziehungsweise eine Längsverschiebung des Wellenleiters an dem Messfühler verhindert. Dadurch wiederum ist es beispielsweise möglich, einen Dämpfer an einem Ende des Wellenleiters fest zu positionieren.
Es ist dadurch möglich, den Messfühler beispielsweise für die Lagerung oder den Transport zu biegen oder auch in geeignetem Radius in Rollenform zu bringen. Dadurch kann wiederum ein Messfühler mit einer entsprechend langen Messlänge (welche beispielsweise in der Größenordnung von 20 m liegen kann) auf einfache Weise gelagert und transportiert werden. Es wird dennoch die erforderliche Messgenauigkeit bei einem Einsatz erreicht und es wird ein mechanisch stabiler Messfühler bereitgestellt.
Bei einer magnetostriktiven Wegmessvorrichtung löst ein von einer Messschnittstelle stammender Erregerstromimpuls eine Messung aus. Der Erregerstromimpuls wird wiederum mittels eines Startsignals ausgelöst, welches die Messschnittstelle bereitstellt. Der Erregerstrom erzeugt auf dem Wellenleiter ein zirkuläres Magnetfeld, welches aufgrund weichmagnetischer Eigenschaften des Wellenleiters in diesem gebündelt wird. An einer Messstelle, an welcher der magnetische Positionsgeber positioniert ist, verlaufen Magnetfeldlinien des Positionsgebers rechtwinklig zum zirkulären Magnetfeld und werden im
Wellenleiter gebündelt. In diesem Bereich, in dem sich die Magnetfelder über- lagern, entsteht im Mikrobereich des Gefüges des Wellenleiters eine elastische Verformung aufgrund von Magnetostriktion. Diese elastische Verformung bewirkt eine sich längs des Wellenleiters ausbreitende elastische Welle. Eine rücklaufende transsonare Welle bewirkt an einer Pick-up-Spule durch Umkehrung des magnetostriktiven Effekts und durch magnetische Induktion ein elektrisches Signal . Die Wellenlaufzeit ist proportional zum Abstand zwischen dem Positionsgeber und der Pick-up-Spule. Über eine Zeitmessung kann der Abstand zwischen der Pick-up-Spule und dem Positionsgeber mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Dadurch kann mit hoher Genauigkeit die Position des Positionsgebers an dem Messfühler bestimmt werden . Das pri- märe Messsignal für die Zeitmessung ist der Erregerstromimpuls auf dem
Wellenleiter beziehungsweise das Startsignal, welches den Erregerstromimpuls ausgelöst hat, und der Reaktionsimpuls auf den Erregerstromimpuls, welcher zeitversetzt in Abhängigkeit von der Position des Positionsgebers durch die Pick-up-Spule geliefert wird.
Insbesondere ist der Rückleiter in die Wandung des Lagerschlauchs oder des Trägerrohrs eingebettet. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise während der Herstellung des Messfühlers der Rückleiter positionieren. Die Einbettung bedeutet dabei, dass der Rückleiter vollständig von Material der Wandung des Lagerschlauchs beziehungsweise des Trägerrohrs umgeben ist und dieses Material mechanisch den Rückleiter kontaktiert. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wellenleiter kozentrisch zu dem Lagerschlauch angeordnet ist und der Rückleiter azentrisch zu dem Lagerschlauch angeordnet ist. Es wird dadurch bei einer Biegung des Messfühlers als Ganzes eine Torsion verhindert beziehungsweise eine Translationsverschiebung des Wellenleiters an dem Messfühler verhindert.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Lagerschlauch aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt und insbesondere aus einem Silikonmaterial hergestellt. Der Lagerschlauch sorgt dadurch für eine elektrische Isolierung zwischen dem Rückleiter und dem Wellenleiter.
Günstig ist es, wenn der Lagerschlauch in dem Trägerrohr angeordnet ist. Das Trägerrohr sorgt für eine entsprechende mechanische Stabilität. Das Trägerrohr erlaubt dabei eine Biegeflexibilität des Messfühlers. Beispielsweise ist das Trägerrohr ein Glasfaserrohr, welches eine Biegeflexibilität erlaubt.
Günstig ist es, wenn das Trägerrohr bezogen auf einen Querschnitt den Lagerschlauch vollständig umgibt. Dadurch wird der Wellenleiter mit dem Lager- schlauch optimal geschützt.
Günstig ist es, wenn das Trägerrohr einen Kreisquerschnitt aufweist. Dadurch lässt sich die Kombination aus Trägerrohr, Lagerschlauch und Wellenleiter rotationssymmetrisch ausbilden.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn der Wellenleiter kozentrisch zu dem Trägerrohr angeordnet ist. Bei einer Biegung des Messfühlers als Ganzes lässt sich dadurch eine Torsion des Wellenleiters verhindern. Es lässt sich ein Ausknicken des Wellenleiters verhindern. Es wird eine Translationsverschieb- lichkeit des Wellenleiters aufgrund einer Umbiegung des Messfühlers verhindert. Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn der Messfühler bezogen auf den Wellenleiter und den Lagerschlauch rotationssymmetrisch zu einer Längsachse ausgebildet ist.
Günstig ist es, wenn an dem mindestens einen Messfühler ein Dämpfer ange- ordnet ist. Der Dämpfer sorgt für die Dämpfung von rückreflektierten Wellen. Es wird dadurch eine verbesserte Signalqualität erreicht.
Insbesondere ist der Rückieiter an den Dämpfer elektrisch angeschlossen. Dadurch ergibt sich auch eine einfache Einbindbarkeit des Rückleiters an den Messfühler.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Dämpfer ein Metallelement auf, an welches der Rückieiter und der Wellenleiter angeschlossen sind . Dadurch lässt sich auf einfache Weise der Rückieiter elektrisch wirksam mit dem Wellenleiter verbinden.
Günstigerweise ist der Dämpfer im Bereich eines Endes des Messfühlers angeordnet. Dadurch ergibt sich eine große Messlänge. Es ist vorgesehen, dass der Wellenleiter in dem Messfühler von einer Signalwandlereinrichtung zu dem Dämpfer geführt ist. Durch die Signalwandlereinrichtung lassen sich Erregerstromimpulse erzeugen. Ferner lässt sich über die Signalwandlereinrichtung ein Auswertesignal erzeugen. Die Signalwandlereinrichtung ist beispielsweise eine Spuleneinrichtung oder eine Piezoeinrichtung.
Günstig ist es, wenn der Dämpfer fest an dem Trägerrohr angeordnet ist und insbesondere im Bereich eines Endes des Trägerrohrs angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden auch bei einer Biegung des Messfühlers Torsionen des Wellenleiters beziehungsweise eine Translationsverschiebung des Wellenleiters zu dem Trägerrohr verhindert. Dadurch ist eine feste Positionierung des Dämpfers an dem Trägerrohr möglich. Es ergibt sich dadurch eine mechanisch stabile Ausbildung des Messfühlers.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Rückleiter durch einen Metalldraht wie beispielsweise einen Kupferdraht gebildet. Er lässt sich dadurch auf einfache Weise in der Wandung des elastischen Lagerschlauchs positionieren.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung . Es zeigen :
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wegmessvorrichtung;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht eines
Messfühlers der Wegmessvorrichtung gemäß Figur 1 bei einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei der Messfühler verkürzt und in einer nicht gekrümmten Stellung dargestellt ist;
Figur 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 gemäß Figur 2;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht eines zweiten
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wegmessvorrichtung;
Figur 5 eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 gemäß Figur 4; und Figur 6 eine schematische Darstellung von der magnetostriktiven
Wegmessvorrichtung zur Erläuterung ihrer Funktion. Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen magnetostriktiven Wegmessvorrichtung, welches in Figur 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Wegaufnehmer 12, einen magnetischen Positionsgeber 14 und eine Messschnittstelle 16. Die Messschnittstelle 16 ist in einem Gehäuse 18 angeordnet. Das Gehäuse 18 weist einen Anschluss 20 und insbesondere Steckeranschluss 20 auf, über welchen die Messschnittstelle 16 mit elektrischer Energie versorgbar ist und über welchen Daten und insbesondere
Positionsdaten bezüglich der Position des Positionsgebers 14 an dem Wegaufnehmer 12 bereitstellbar sind.
Die Messschnittstelle 16 umfasst dabei insbesondere eine Ansteuerungsein- richtung für den Wegaufnehmer 12 und eine Auswerteeinrichtung.
Der Wegaufnehmer 12 ist als magnetostriktiver Wegaufnehmer ausgebildet. Er ist mit einem Messfühler 22 gebildet. Über den Messfühler 22 ist eine Messstrecke 24 definiert. Der Messfühler 22 ist an dem Gehäuse 18 gehalten.
Der Messfühler 22 ist biegeflexibel ausgebildet. Er umfasst (Figuren 2 und 3) einen Wellenleiter 26. Der Wellenleiter 26 ist insbesondere ein Drahtwellen- leiter. In einem Messbetrieb erstreckt sich der Wellenleiter 26 in einer Längsrichtung 28 und definiert einen Messbereich.
Der Wellenleiter 26 ist in einem Lagerschlauch 30 aus einem elastischen Material angeordnet. Der Lagerschlauch 30 ist aus einem elektrisch isolieren- den Material hergestellt. Er ist beispielsweise aus einem Silikon-Material hergestellt.
Der Lagerschlauch 30 weist eine Wandung 32 auf, welche im Querschnitt (vgl. Figur 3) den Wellenleiter 26 umgibt.
Der Wellenleiter 26 ist insbesondere rotationssymmetrisch zu einer Längsachse 34 ausgebildet. Der Lagerschlauch 30 ist rotationssymmetrisch zu einer Längsachse 36 ausgebildet. Die Längsachse 34 und die Längsachse 36 fallen dabei zusammen, das heißt der Lagerschlauch 30 ist kozentrisch zu dem Wellenleiter 26 angeordnet.
An dem Lagerschlauch 30 können beispielsweise durch entsprechende Ein- schnürungen punktuelle Lagerstellen 38 für den Wellenleiter 26 gebildet sein. An diesen stützt sich der Wellenleiter 26 an der Wandung 32 des Lager- schlauchs 30 ab beziehungsweise an diesen Stellen wird für eine Abstützung eine erhöhte Druckkraft für einen Presssitz bereitgestellt. Der Wellenleiter 26 ist in einem Innenraum 40 des Lagerschlauchs 30 positioniert, welcher von der Wandung 32 umgeben ist.
Die Kombination aus Wellenleiter 26 und Lagerschlauch 30 ist in einem
Trägerrohr 42 mit einer Wandung 43 angeordnet. Das Trägerrohr 42 ist biege- flexibel ausgebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Trägerrohr 42 (das heißt dessen Wandung 43) aus einem Glasfasermaterial hergestellt.
Das Trägerrohr 42 (das heißt dessen Wandung 43) ist insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt.
Das Trägerrohr 42 umgibt den Lagerschlauch 30 vollständig; der Lagerschlauch 30 ist in einem Innenraum 44 des Trägerrohrs 42 angeordnet.
Dem Wellenleiter 26 ist ein Rückleiter 46 zugeordnet, um einen geschlossenen elektrischen Kreislauf bereitstellen zu können.
Der Wellenleiter 26 ist elektrisch mit einem ersten Anschluss 48 verbunden. Der Rückleiter ist elektrisch mit einem zweiten Anschluss 50 verbunden. Der erste Anschluss 48 und der zweite Anschluss 50 sind in dem Gehäuse 18 an- geordnet oder sind im Bereich eines Endes 52 des Trägerrohrs 42 angeordnet, welcher an oder in der Nähe des Gehäuses 18 sitzt. Im Bereich eines Endes 54 des Messfühlers 22, welcher dem Ende 52 abgewandt ist, sitzt ein Dämpfer 56 an dem Trägerrohr 42. Der Dämpfer 56 dient dazu, Rückreflexionswellen zu dämpfen. Der Dämpfer 56 umfasst ein Metallelement 58 wie beispielsweise eine
Messingscheibe. Der Wellenleiter 46 ist elektrisch wirksam mit diesem Metallelement 58 verbunden . Ferner ist der Rückleiter 46 mit diesem Metallelement 58 verbunden. Das Metallelement 58 ist beispielsweise in dem Innenraum 44 des Trägerrohrs 42 an oder in der Nähe des Endes 54 positioniert.
Der Dämpfer 56 umfasst ferner ein mechanisches Dämpfungselement 60 aus einem elastischen Material . Dieses mechanische Dämpfungselement 60 dient dazu, mechanische Wellen durch elastische Energieaufnahme zu dämpfen.
Das mechanische Dämpfungselement 60 ist beispielsweise aus einem Silikonmaterial hergestellt. Das mechanische Dämpfungselement 60 ist an dem Metallelement 58 in den Innenraum 44 ragend positioniert. Ein Bereich 62 des Wellenleiters 26 ist durch das mechanische Dämpfungselement 60 hindurch zu dem Metallelement 58 geführt. Der Rückleiter 46 ist beispielsweise als Drahtleiter ausgebildet. Er ist von dem Metallelement 58 durch die Wandung 32 des Lagerschlauchs 30 zu dem zweiten Anschluss 50 geführt. Der Rückleiter 46 ist in der Wandung 32 des elastischen Lagerschlauchs 30 angeordnet. Er ist in die Wandung 32 des Lagerschlauchs 30 eingebettet.
Der Rückleiter 46 ist azentrisch zu der Längsachse 34 des Wellenleiters 26 beziehungsweise der Längsachse 36 des Lagerschlauchs 30 positioniert. Der Rückleiter 46 liegt in dem Lagerschlauch 30 zwischen dem Wellenleiter 26 und dem Trägerrohr 42. Der Lagerschlauch 30 sorgt für eine elektrische Isolierung zwischen dem Wellenleiter 26 und dem Rückleiter 46 außerhalb des Bereichs 62.
Der Rückleiter 46 ist in dem Innenraum 44 des Trägerrohrs 42 sowohl beabstandet zu einer Wandung des Trägerrohrs 42 als auch beabstandet zu dem Wellenleiter 26 positioniert. In dem Bereich 62 sorgt das mechanische Dämpfungselement 60, welches aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, für eine elektrische Isolierung zwischen dem Wellenleiter 26 und dem Rückleiter 46.
Der Messfühler 22 umfasst eine Signalwandlereinrichtung 64, welche dazu dient, einen Erregerstromimpuls 66 (Figur 6) zu erzeugen. Die Signalwandlereinrichtung 64 umfasst beispielsweise eine Pick-up-Spule oder einen
Piezo-Wandler.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wegmessvor- richtung, welches in den Figuren 4 und 5 gezeigt ist, ist grundsätzlich gleich ausgebildet wie das erste Ausführungsbeispiel. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet.
Die Wegmessvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist ein Trägerrohr 42' auf, in welchem ein Lagerschlauch 30' positioniert ist. Der Wellenleiter 26 ist wiederum in dem Lagerschlauch 30' positioniert.
Es ist ein Rückleiter 46' vorgesehen. Dieser Rückleiter 46' ist in der Wandung 43 des Trägerrohrs 42' angeordnet und insbesondere eingebettet.
Ansonsten ist die Wegmessvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gleich wie die Wegmessvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Anhand Figur 6 wird schematisch die Funktionsweise der magnetostriktiven Wegmessvorrichtung 10 erläutert: Die Ansteuerungseinrichtung der Messschnittstelle 16 stellt dem Messfühler 22 ein Startsignal bereit. Dadurch wird an der Spuleneinrichtung 64 ein Erregerstromimpuls 66 auf dem Wellenleiter 26 ausgelöst. Dies löst wiederum eine Messung aus. Der Erregerstromimpuls 66 erzeugt an dem Wellenleiter 26 ein zirkuläres Magnetfeld 68, welches aufgrund weichmagnetischer Eigenschaften des Wellenleiters 26 in diesem gebildet wird. An einer Messstelle 70 des Wellenleiters 26 ist der Positionsgeber 14 positioniert. Dessen Magnetfeldlinien 72 verlaufen rechtwinklig zum zirkulären Magnetfeld 68 und sind ebenfalls im Wellenleiter 26 gebildet.
In einen Bereich, in welchem sich das zirkuläre Magnetfeld 68 und das vom Positionsgeber 14 erzeugte Magnetfeld überlagern, entsteht im Mikrobereich des Gefüges des Wellenleiters 26 eine elastische Verformung aufgrund von Magnetostriktion. Diese elastische Verformung bewirkt eine sich längs des
Wellenleiters 26 in entgegengesetzte Richtungen 74, 76 ausbreitende mechanische Welle (elastische Welle). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Welle im Wellenleiter 26 liegt insbesondere in der Größenordnung von circa
2800 m/s und ist weitgehend unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen.
An dem Ende 54 des Wellenleiters 26 ist der Dämpfer 56 angeordnet. Durch diesen Dämpfer 56 wird die zu dem Ende 54 laufende transsonare Welle gedämpft, so dass eine Amplitude des an dem Ende 54 rückreflektierten Anteils der Welle bei der Signaldetektion gegenüber der Amplitude der direkt (in die Richtung 74) propagierenden Welle kleiner und insbesondere erheblich kleiner ist. Durch die Pick-up-Spule der Spuleneinrichtung 64 wird durch Umkehrung des magnetostriktiven Effekts und magnetischer Induktion ein elektrisches Signal erzeugt, welches der Messschnittstelle 16 bereitgestellt wird und welches in der Auswerteeinrichtung ausgewertet wird.
Die Wel Anlaufzeit vom Entstehungsort 70 bis zu der Pick-up-Spule der
Spuleneinrichtung 64 ist direkt proportional zum Abstand zwischen dem
Positionsgeber 14 und dieser Pick-up-Spule. Mittels einer Zeitmessung kann daher der Abstand zwischen der Pick-up-Spule und dem Positionsgeber 40 an der Messstelle 70 genau bestimmt werden. Das primäre Messsignal für die Zeitmessung ist das elektrische Signal der Pick-up-Spule 146, welche zeitversetzt zu dem Startsignal (welches einen Erregerstromimpuls 66 ausgelöst hat) in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der Pick-up-Spule und dem Positionsgeber 14 von der Pick-up-Spule an die Messschnittstelle 16 geliefert wird .
Bei der erfindungsgemäßen Lösung sind der Wellenleiter 26, der Lagerschlauch 30 beziehungsweise 30' und auch das Trägerrohr 42 beziehungsweise 42' konzentrisch zueinander angeordnet. Eine Längsachse 78 des Trägerrohrs 42 beziehungsweise 42' liegt konzentrisch zu den Längsachsen 34, 36.
Durch diese konzentrische Anordnung des Wellenleiters 26 erfährt dieser bei einer Biegung des Messfühlers 22 keine Torsion . Dadurch wiederum wird erreicht, dass sich auch bei einer Biegung der Wellenleiter 26 keine Längsver- Schiebung relativ zu dem Trägerrohr 42 beziehungsweise 42' erfährt. Dadurch wiederum ist es möglich, den Dämpfer 56 fest an dem Trägerrohr 42 zu positionieren.
Durch die erfindungsgemäße Lösung mit konzentrischer Anordnung des Wellenleiters 26 zu dem Trägerrohr 42 beziehungsweise 42' und Einbettung des Rückleiters 46 beziehungsweise 46' in der Wandung 32 des Lager- schlauchs 30 beziehungsweise die Wandung 43 des Trägerrohrs 42' kann für die Lagerung oder den Transport des Messfühlers 22 dieser gerollt werden. Dies ist von Vorteil, wenn eine lange Messstrecke benötigt wird, beispielsweise lassen sich dadurch Messfühler 22 mit einer Messlänge von 20 m realisieren. Durch die flexible Ausbildung kann der Messfühler 22 für Transport und
Lagerung entsprechend gerollt werden, das heißt es muss kein starrer Mess- fühler mit einer Länge von mindestens der Messlänge bereitgestellt werden.
Der Messfühler 22 ist ein flexibler Messstab, wobei an dem Ende 54 der Dämpfer 56 fest mit dem Trägerrohr 42 beziehungsweise 42' verbindbar ist und auch fest verbunden ist. Es ergibt sich dadurch ein flexibler Messfühler 22, welcher eine hohe mechanische Stabilität aufweist und eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht, wobei Lagerungs- und Transportprobleme vermieden sind, auch wenn große Messlängen bereitgestellt werden sollen.
Beispielsweise lässt sich der Messfühler 22 rollen mit einem Durchmesser der entsprechenden Rolle in der Größenordnung von circa 1 m.
Durch die erfindungsgemäße Lösung mit konzentrischer Anordnung des
Wellenleiters 26 und des Trägerrohrs 42 beziehungsweise 42' und Führung des Rückleiters 46 in der Wandung 32 des elastischen Lagerschlauchs 30
beziehungsweise in der Wandung 43 des Trägerrohrs 42' wird ein Ausknicken des Wellenleiters 26 bei einer Biegung des Messfühlers 22 verhindert.
Bezugszeichenliste
Wegmessvorrichtung
Wegaufnehmer
Positionsgeber
Messschnittstelle
Gehäuse
Anschluss
Messfühler
Messstrecke
Wellenleiter
Längsrichtung
, 30' Lagerschlauch
Wandung
Längsachse
Längsachse
Lagerstelle
Innenraum
, 42' Trägerrohr
Wandung
Innenraum
Rückleiter
Erster Anschluss
Zweiter Anschluss
Ende
Ende
Dämpfer
Metallelement
Mechanisches Dämpfungselement
Bereich
Signalwandlereinrichtung
Erregerstromimpuls
Zirkuläres Magnetfeld Messstelle Magnetfeldlinien Richtung Richtung Trägerrohr

Claims

Patentansprüche
1. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung, umfassend mindestens einen Messfühler (22), welcher biegeflexibel ausgebildet ist, und einen magnetischen Positionsgeber (14), welcher berührungslos an den mindestens einen Messfühler (22) koppelt, wobei der mindestens eine Messfühler (22) einen Wellenleiter (26) und einen Rückleiter (46) um- fasst, und wobei der Wellenleiter (26) in einem elastischen Lagerschlauch (30; 30') gelagert ist und der Rückleiter (46) in einer Wandung (32) des Lagerschlauchs (30) angeordnet ist oder in einer Wandung (43) eines Trägerrohrs (42') angeordnet ist, in welchem der Lagerschlauch (30') positioniert ist.
2. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der Rückleiter (46) in die Wandung (32) des Lagerschlauchs (30) eingebettet ist oder in die Wandung (43) des Trägerrohrs (42') eingebettet ist.
3. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (26) kozentrisch zu dem Lagerschlauch (30; 30') angeordnet ist und der Rückleiter (46) azentrisch zu dem Lagerschlauch (30; 30') angeordnet ist.
4. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerschlauch (30; 30') aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist und insbesondere aus einem Silikonmaterial hergestellt ist.
5. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerschlauch (30; 30') in dem Trägerrohr (42; 42') angeordnet ist.
6. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerrohr (42) ein Glasfaserrohr ist.
7. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerrohr (42; 42') bezogen auf einen Querschnitt den Lagerschlauch (30; 30') vollständig umgibt.
8. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerrohr (42; 42') einen Kreisquerschnitt aufweist.
9. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (26) kozentrisch zu dem Trägerrohr (42; 42') angeordnet ist.
10. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler (22) bezogen auf den Wellenleiter (26) und den Lagerschlauch (30; 30') rotationssymmetrisch zu einer Längsachse ausgebildet ist.
11. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem mindestens einen Messfühler (22) ein Dämpfer (56) angeordnet ist.
12. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, dass der Rückleiter (46) an den Dämpfer (56) elektrisch angeschlossen ist.
13. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfer (56) ein Metallelement (58) aufweist, an welches der Rückleiter (46) und der Wellenleiter (26) angeschlossen sind.
14. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfer (56) im Bereich eines Endes (54) des Messfühlers (22) angeordnet ist.
15. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (26) in dem Messfühler (22) von einer Signalwandlereinrichtung (64) zu dem Dämpfer (56) geführt ist.
16. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfer (56) fest an dem
Trägerrohr (42; 42') angeordnet ist und insbesondere im Bereich eines Endes (54) des Trägerrohrs (42; 42') angeordnet ist.
17. Magnetostriktive Wegmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückleiter (46) durch einen Metalldraht gebildet ist.
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