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Die Erfindung betrifft einen Messwertwandler für die Wegmessung, mit mindestens einer in einem Wech- selstrom-Messkreis liegenden Messspule, auf die vom Messwert abhängige, durch das Spulenfeld induzierte Wirbelströme rückwirken.
Solche Wandler oder Geber werden in neuerer Zeit in stets steigendem Masse verwendet, wo die gewünschte Änderung einer elektrischen Eigenschaft durch Interaktion des Spulensystems mit einem Bauelement, in dem sich Wirbelströme ausbilden können, erzieltwird. Dieses Bauelement muss leitend, jedoch nicht ferromagnetisch sein.
Das Prinzip dieser Geber beruht darin, dass man im magnetischen Feld der Spule ein Konstrultionse1ement aus einem leitenden Medium anordnet. In diesem Medium werden Wirbelströme induziert, die ihrerseits ein Gegenfeld aufbauen, das auf die Spule rückwirkt und somit eine Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften verursacht. Diese Art Messwertwandler bezeichnet man zweckmässigerweise als Wirbelstromgeber.
Sowohl bei den klassischen induktiven als auch bei den Wirbelstromgebern weist das Messspulensystem eine nicht zu vernachlässigende ohmsche Komponente auf. Das bedeutet, dass man bei den gebräuchlichen Schaltungen, die meist eine Brückenschaltung oder eine symmetrische Spannungsteileranordnung darstellen, sowohl die imaginäre (induktive) als auch die reelle (ohmsche) Komponente der Impedanz des Messspulensystems abgleichen muss. Eine weitere, physikalisch bedingte Eigenschaft dieser Geber ist die Temperaturabhängigkeit der Impedanz, die sich auf beide Komponenten erstreckt und die dadurch hervorgerufen wird, dass Permeabilität und Leitfähigkeit der benutzten Werkstoffe temperaturabhängig sind. Bei den ferromagnetischen Werkstoffen ist die Temperaturabhängigkeit ihrer Eigenschaften sogar relativ stark.
Will man diese Temperaturabhängigkeit durch geeignete Massnahmen kompensieren, muss sich eine exakte Kompensation grundsätzlich auf beide Komponenten der Impedanz erstrecken. Dann werden die Verhältnisse oft sehr kompliziert und eine gut wirksame Kompensation stösst auf grosse technische Schwierigkeiten. Darin ist ein Grund zu suchen, dass induktive Geber, wo wir jetzt die Wirbelstromgeber miteinbeziehen müssen, oft als zu temperaturempfindlichfür Präzisionsmes- sungen abgelehnt werden (s. z. B. Ch. Rohrbach, Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Grössen, Düsseldorf [1967], S. 451, Abschnitt G2. 3. 3. 1, sowie S. 176 - Allgemeine Beurteilung).
Es ist zwar eine Schaltung mit einer Messspule in einer Brückenschaltung bekannt, wobei die Brücke ausser der Messspule nur ohmsche Elemente (DL-PS 37 021) aufweist. Die Schaltung ist durch einen oder zwei temperaturabhängige Widerstände gegen Temperatureinflüsse kompensiert. Diese Schaltung, welche die Änderungen der induktiven Komponente der Messspule einfach unbeachtet lässt, kann niemals hohe Anforderungen an die Genauigkeit erfüllen, wenn nicht, wie in einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, eine Kompensationsspule vor gesehen wird. Ausserdem ist es erforderlich, zu der oder den Spulen Widerstände in Serie zu schalten, was die Empfindlichkeit herabsetzt.
Erfindungsgemäss wird nun angestrebt, Messwandler auf Basis des Wirbe1str nprinzips in einem einfachen, nur ohmsche Elemente aufweisenden Messstromkreis verwenden zu können und doch sehr hohe Genauigkeit zu erzielen.
Der erfindungsgemässe Messwandler ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen mit der Messspule fest gekoppelten Leiter aufweist, so dass durch die in diesem induzierten Sekundär-Ströme eine vorgegebene Herabsetzung der induktiven Komponente der Spulenimpedanz auf einen, verglichen mit der ohmschen Komponente der Spu-
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sche Spulenimpedanz hat zur Folge, dass der Abgleich in Brücken- und symmetrischen Spannungsteileranordnungen einfach ist und, was als hervorstechendstes Merkmal anzusehen ist, eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit sehr einfach durchzuführen ist. In vielen Fällen ergibt sich eine besonders einfache Konstruktion des Gebers. Auch ein Abgleich auf identische Empfindlichkeit ist mittels Widerständen einfach möglich.
Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Vorteil ist der, dass man durch geeignete Materialauswahl ganz generell ein besseres Temperaturverhalten als bei den klassischen Gebern erreichen kann, wodurch die Kompensationsmassnahmen noch mehr vereinfacht werden. Die Messspule kann ohne Serienwiderstand den einen Zweig einer Messbrücke bilden, in deren andern Zweigen Widerstände liegen.
Vorzugsweise wird der mit der Spule unveränderlich gekoppelte Leiter als Kurzschlussleiter oder Abschirmung, z. B. als ein die Messspule umgebendes Rohr bzw. als leitender Spulenkörper, ausgebildet, doch ist es auch möglich, als Leiter eine zweite Spule vorzusehen, die mit der Messspule transformatorisch gekoppelt und mit einem Widerstand belastet ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, die an Hand der Fig. 1 bis 10 verschiedene Ausführungsbeispiele erläutert ; es zeigt Fig. 1 den physikalischen Mechanismus der Interaktion der Gegenfelder, hervorgerufen durch Wirbelströme, die durch das ursprüngliche Magnetfeld der Spule in zwei leitenden Medien ausgelöst werden, Fig. 2 eine vereinfachte Illustration zur Erläuterung des"Abschirm- effektes", aus der die Arbeitsweise der nach diesem Prinzip aufgebauten Messwandler ersichtlich ist, Fig. 3 das Prinzip der Realisierung der Anordnung nebst Massnahmen zur Kompensation der Temperaturempfindlichkeit, Fig. 4 die Einschaltung der Messspule und der Kompensationswiderstände in eine Brückenschaltung, Fig. 5 den prinzipiellen Aufbau eines flachen Gebers für Langwegmessungen, Fig.
6 einen aus dieser Form abgeleiteten Drehwinkelgeber, Fig. 7 einen aus der Form nach Fig. 5 hervorgehenden Messwertaufnehmer für sehr kleine Ver-
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schiebungswege, Fig. 9 die entsprechende Form eines asymmetrischen Tauchankergebers, der zur Messung gro- sser Verschiebungswege geeignet ist, Fig. 10 die Umkehrung des in Fig. 9 dargestellten Prinzips der Wegmessung, die ebenfalls als rotationssymmetrische Realisierung der in Fig. 5 dargestellten flachen Bauweise aufgefasst werden kann.
Eine Abschirmung beeinflusst die Impedanz einer Spule. Das magnetische Feld der Spule lost in der Abschirmung Wirbelströme aus, die ihrerseits wieder ein Magnetfeld aufbauen, ein Gegenfeld, das auf das erregende abschwächend einwirkt, eine physikalische Tatsache, die durch das Lenz'sehe Gesetz ausgedrUckt wird.
Die Induktivität der Spule wird also durch die Abschirmung verkleinert. Es ist allerdings zu bemerken, dass bei Abschirmungen aus einem ferromagnetischen Material der entgegengesetzte Effekt infolge der Permeabilität des Schirmmaterials, die sich auf die Feldausbildung um die Messspule auswirkt, eintreten kann. Da das für die Abschirmung benutzte Material einen bestimmten Widerstand aufweist, verursachen die Wirbelströme nach dem Joule'sehen Gesetz einen Energieverlust, der sich dahingehend auswirken muss, dass sich die ohmsche Komponente der Impedanz der Messspule vergrössert.
Man kann die Verhältnisse sehr anschaulich und einfach qualitativ auf folgende Weise darstellen :
Die Anordnung einer Spule, die mit einem Schirmzylinder umgeben ist bzw. allgemein ausgedrückt, die Anordnung einer Spule, in deren Magnetfeld sich ein leitendes Medium befindet, entspricht dem Aufbau eines Transformators. Die Belastung dieses Transformators bildet der Eigenwiderstand des leitenden Mediums. Das leitende Medium kann man als die mit der Spule, die eine Primärwicklung darstellt, verkoppelte Sekundärwicklung ansehen. Dann kann man den gesetzmässigen Zusammenhang zwischen Belastung und Druckwirkung durch die Transformatorgleichungen ausdrücken.
Für die Eingangsimpedanz der Spule gilt die Beziehung
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Es bedeuten Lie L2 die Induktivitäten von Spule und dem leitenden Medium R, R die Wirkkomponente der Spule und der
Eigenwiderstand des leitenden Mediums k der Kopplungsfaktor zwischen Spule und leitendem Medium Nach einer einfachen Rechnung ergibt sich aus der Formel (1) der Ausdruck
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Aus dem Ausdruck (2) kann man deutlich die Verkleinerung der Induktivität und Vergrösserung der ohm - sehen Komponente erkennen.
Femer ist klar ersichtlich, dass man durch eine geeignete geometrische Anordnung sowie durch eine zweckmässige Wahl der Werkstoffe die Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Spule erheblich betonen kann, so dass es naheliegend erscheint, die Verhältnisse so zu gestalten, dass der Wert der induktiven Komponente gegenüber dem der ohmschen Komponente vernachlässigbar klein wird.
Erfindungsgemäss befinden sich im magnetischen Feld der Spule zwei leitende Medien, deren gegenseitige Lage durch die zu messende Grösse verändert wird. Es tritt dann für die theoretische Betrachtung der Fall einer "Doppelabschirmung"ein. Die Interaktion zwischen diesen beiden Medien kann man auf folgende Weise illustrieren, s. dazu Fig. l :
Im Magnetfeld einer Spule, mathematisch ausgedrückt durch einen magnetischen Dipol, befinden sich die Medien--1 und 2--, die in Interaktion treten. Das durch die Spule hervorgerufene Magnetfeld erzeugt durch Wir-
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Rückwirkungsfeld, dessen Intensitätdurch einen sogenannten"Rückwilkungs-handelt, wobei wir als Innenseite die der Spule zugekehrte Seite auffassen wollen.
Es wird also an der inneren
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was der RuckwirkungsfaktorWn ausdrucken soll. Der übrige Teil durchdringt das Medium --2--, geschwächt durch den Schirmfaktor Q. Das an der Innenwand des Mediums --2-- reflektierte Feld trifft auf die Aussenwand des Mediums --1--, wobei wieder ein Teil durch das Medium-l-hindurchgeht, ein Teil reflektiert wird und zur Innenseite des Mediums --2-- zurückgelangt. So wiederholt sich immer das gleiche Spiel. Setzt man als erregendes Feld ein Dipolfeld an-und das kann man in den meisten Fällen - sind alle von innen nach aussen strebenden Felder Dipolfelder, und die nach innen gerichteten Felder sind homogen.
Die nach aussen reflektierten Anteile werden durch einen sogenannten "äusseren Räckwirkungsfaktor" definiert, der durch den In-
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worin bedeuten :
Ql Schirmfaktor des Mediums --1--
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Da die Rilckwirkungsfaktoren der beiden Medien und 2-7-von ihrer Orientierung zur Spule, also anders ausgedrückt, von der Geometrie der Anordnung abhängen, muss zwangsläufig eine gegenseitige Verschiebung der beiden Medien eine Änderung des Gesamtrückwirkungsfaktors bedeuten und damit ebenfalls eine Änderung der Impedanz der Spule. Erfindungsgemäss wird angestrebt, dass durch eine zweckentsprechende Wahl der Abmessungen die induktive Komponente der Impedanz gegenüber der resistiven Komponente vernachlässigbar ist, was im wesentlichen durch das Medium-l-erreicht wird, das bei der technischen AusfUhrung der Messwandler als Schutzhülle der Spule ausgebildet werden kann.
Das Medium --2-- verursacht dann in der Regel praktisch nur eine Änderung des Wertes der resistiven Komponente in dem Sinne, dass diese bei zunehmendem Messwert kleiner wird. Man kann die Verhältnisse sehr anschaulich noch auf folgende Weise erläutern, s. Fig. 2 :
Eine Messspule --3-- soll die Länge l haben. Die Abschirmung --4-- wird durch ein Medium gebildet,
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Ausdruck
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ansetzen. Die Widerstandszunahme ist eine lineare Funktion der Längen X und l-\.
Es erhebt sich nun die Frage der Temperaturkompensation der Anordnung. Im wesentlichen wird die Temperaturabhängigkeit der Impedanz des Gebers durch folgende Ursachen hervorgerufen :
1. Temperaturabhängigkeit des Leitwertes des Mediums --1--,
2. Temperaturabhängigkeit des Leitwertes des Mediums --2--,
3. Temperaturabhängigkeit des ohmschen Widerstandes der Spu- lenwicklung, also des Drahtwiderstandes,
4. bei Verwendung einer Eisenkernspule durch Temperaturab- hängigkeit der Permeabilität und des Leitwertes des Kernwerkstoffes.
Da der spezifische Widerstand metallischer Medien mit steigender Temperatur zunimmt, äussert sich die Temperaturabhängigkeit des Messspulensystems in dem Sinne, dass der Wert der ohmschen Komponente mit der Temperatur zunimmt. Eine Kompensation wird dann in der Weise durchgeführt, dass man an geeigneten Stellen an den Medien --1 und 2-- sowie am Kern der Spule, falls ein solcher benutzt wird, temperaturabhängige Widerstände anbringt, die in entsprechender Weise in die Schaltung eingefügt werden, wie an einem in Fig. 3 schematisch dargestellten Beispiel erklärt werden soll.
Ein Messwerta@fnehmer besteht aus einer Spule --3-- mit einem ferromagnetischen Kern-5-. Im Magnetfeld dieses Spulensystems sind die beiden Medien --1 und 2-- angeordnet, deren gegenseitige Lage durch die zu messende Grösse beeinflusst wird, was dadurch ausgedrückt werden soll, dass sich das Medium --2-- gegenüber dem Medium-l-in Pfeilrichtung verschieben kann. Es handelt sich also um eine Wegmessung, wo-
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bei die Verschiebung beispielsweise durch Einfluss einer Kraft auf einen Kraftmessbügel verursacht wird.
Die Verhältnisse, die bei einer technischen Ausführung im wesentlichen von der Geometrie der Anordnung und den benutzten Werkstoffen abhängen, werden so gewählt, dass man die induktive Komponente gegenüber der ohmschen vernachlässigen kann, so dass der Messwertaufnehmer also ein Ohmsches Element darstellt. Mit zunehmender Temperatur steigt der Widerstand des Gebers, der zwischen den Klemmen --6 und 7-- gemessen wird. Zur Kompensation bringt man nun am Kern --5-- und an den Medien-l und 2-- die temperaturabhängigen Widerstände --8, 9 und 10-- mit den Anschlüssen-11 bis 12,13 bis 14 und 15 bis 16-- an, die man beispielsweise mit Nickeldraht auf Kunststoffolien wickelt und direkt auf die Elemente-l, 2 und 5-aufklebt.
Es ist nun noch zu beachten, dass sich die Temperaturabhängigkeit ebenfalls auf die Empfindlichkeit des Gebers erstreckt, wobei unter Empfindlichkeit das Verhältnis der maximalen Widerstandsänderung des Systems zur maximalen gegenseitigen Positionsänderung der beiden Medien-l und 2--, hervorgerufen durch die zu messende Grösse, verstanden werden soll.
In der Regel wird die Empfindlichkeit mit zunehmender Temperatur kleiner, u. zw. üblicherweise in Abhängigkeit von der Temperatur des Mediums --2--, also bildlich gesprochen, in Abhängigkeit von der Temperatur des"äusseren"Mediums. Man wählt dann zweckmässigerweise zur Kompensation einen Widerstand mit negativem Temperaturbeiwert (NTC-Widerstand), der im entsprechenden Sinne in die elektrische Anordnung eingeschaltet wird.
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den einen Zweig, die Schaltelemente --8, 9,18 und 27-- den zweiten Zweig eines Brückenarmes. Der zweite
Brückenarm wird durch die Widerstände --19 und 20-gebildet. Laut Grundgedanken der Erfindung ist die induktive Komponente der Messspule vernachlässigbar klein gegenüber der ohmschen Komponente (zirka 10 bis 20 mal).
Sollte aus irgendwelchen Gründen eine weitere Unterdrückung der induktiven Komponente wünschenswert erscheinen, kann dies durch den Hilfskondensator --17--, dessen Wert in keiner Weise kritisch ist, erreicht werden. Die Widerstände --8 und 9-- sind die Kompensationswiderstände. Um den gewünschten Wert des Widerstandes des zweiten Brückenzweiges zu erreichen, wird noch der Widerstand --18-- zugeschaltet, Die Werte dieser Widerstände sind so gewählt, dass sich der gewünschte Temperaturkoeffizient des zweiten Brückenzweiges ergibt, der gleich dem des Messspulensystems sein muss. Das Messspulensystem besitzt eine gewisse Kapazität gegen Erde, die im zweiten Brückenzweig durch den Zusatzkondensator --27-- ausgeglichen wird.
Der die Kompensation der temperaturabhängigen Empfindlichkeitsänderung kompensierende, am Medium --2-- befestigte Widerstand --10-- ist zusammen mit den zur Einstellung des erforderlichen Temperaturkoeffizienten dienenden Hilfswiderständen --21 und 22-- in die Speisung der Brückenschaltung, die an den Klemmen --23 und 24-angeschlossen wird, eingeschaltet. Das Messsignal wird an den Klemmen --25 und 26-- abgenommen.
Die Temperaturunabhängigkeit des Wicklungswiderstandes der Spule --3-- kann man durch Verwendung eines Widerstandsdrahtes erreichen. In Fig. 6 ist eine Ausführungsform eines Gebers zur Messung grösserer Verschiebungen bis zu einigen Dezimetern dargestellt. Der Geber ist in Flachbauweise ausgeführt. Sein Gehäuse stellt das Medium-l-dar. Durch Verschiebung in Pfeilrichtung kommt er mehr oder weniger zur Deckung mit dem Medium --2--, das durch einen Maschinenteil dargestellt werden kann. Der Geber kann beispielsweise in eine Spalte eingeschoben werden.
Der Abstand d der beiden Medien ist konstant, Die Spule --3-- ist auf einen ferromagnetischen Flachkem-5-gewickelt. Man benutzt hier zweckmässig einen Werkstoff auf Ferritbasis, der sich durch einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Permeabilität (grössenordnungsmässig zirka 10-6.... 10-5) und einen hohen spezifischen Widerstand (grössenordnungsmässig zirka 105 Ohm. cm) auszeichnet. In diesem Fall ist die Temperaturabhängigkeit, die durch den Kern verursacht wird, praktisch vernachlässigbar.
Für das Medium --1--, das die Hülle des Gebers darstellt, wird man ein nicht magnetisches Material mit möglichst hohem spezifischem Widerstand und kleinem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes wählen (grössenordnungsmässig 10-5), wie beispielsweise eine Ni-Cr-Fe-Legierung, wie sie häufig im chemischen Apparatebau Verwendung findet. In vielen Fällen erübrigt sich jetzt auch hier eine Kompensation. Wenn durch das Medium --2-- eine Temperaturabhängigkeit verursacht wird, muss an einer geeigneten Stelle der Widerstand --10-- angebracht werden, der entsprechend der Fig. 4 in die elektrische Anordnung eingeschaltet wird.
In Fig. 6 wird ein Messwertwandler für Drehbewegungen dargestellt, der direkt aus dem Flachgeber in Fig. 5 hervorgeht. Die mit Widerstandsdraht auf einen ferromagnetischen Kern gewickelte, segmentförmig gebogene Spule befindet sich innerhalb eines das Medium --1-- darstellenden Gehäuses. Vor dieses Gehäuse wird das segmentförmige Medium --2-- geschoben, das um eine Achse --32-- drehbar gelagert ist.
Eine weitere Variante, die aus dem in Fig. 5 dargestellten Prinzip eines Flachgebm hervorgeht, ist in Fig. 7 dargestellt. Diese Anordnung ist zur Messung von kleinen und kleinsten Verschiebungen geeignet. Die Spule
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Messsonde von der Oberfläche --29-- des Mediums --2-- ändert. Eine fallweise Kompensation der temperaturabhängigen Empfindlichkeitsänderung wird durch den Widerstand --10-- bewirkt.
Wie aus den Fig. 8 und 9 ersichtlich ist, können ebenfalls Geber in der Art der klassischen Tauchankergeber
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erstellt werden. Fig. 8 stellt einen Differentialgeber zur Messung mittlerer Verschiebungen bis zu einigen Millimetern dar. Das Medium --1-- wird als Spulenkörper ausgebildet, auf den die beiden symmetrisch angeordneten Spulen-3--aus Widerstandsdraht aufgewickelt werden. Das Medium --2-- ist der verschiebbare Kern mit den Zugstangen-30 und 31--. Für beide Medien wird man dasselbe Material mit hohem spezifischem Widerstand und kleinem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes verwenden. Fig. 9 zeigt die asymmetrische Variante dieses Gebers, die für längere Wege benutzt werden kann.
Wieder ist auf das als Spulenträger dienende Medium --1-- eine Spule --3-¯ aus Widerstandsdraht aufgewickelt. In dieses Spulensystem taucht das Medium --2--, das aus demselben Material besteht, ein. Dieser Geber ist eine direkte technische Realisierung des in Fig. 2 dargestellten vereinfachten"Abschirmprinzips". Der Geber ist von einer ferromagnetischen Hülle-5-- umgeben.
Gibt man dem in Fig. 5 dargestellten Flachgeber eine rotationssymmetrische Form, entsteht eine Variante, wie in Fig. 10 dargestellt ist. Auf einem ferromagnetischen Kern --5-- befindet sich eine mit Widerstandsdraht gewickelte Spule Dieses Spulensystem wird von dem Medium --1-- umschlossen und taucht in das Me- dium-2-ein. Für eine fallweise notwendige Korrektur der durch das Medium --2-- hervorgerufenen Temperaturabhängigkeit ist der Widerstand --10-- vorgesehen.
Es hat sich gezeigt, dass mit besonderem Vorteil der Leiter-l-aus Material niedriger Leitfähigkeit, z. B.
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im Falle der Fig. 10 in einem bestimmten Maschinenteil eine Bohrung vorgesehen, in welche die Messspule eindringt, kann diese Bohrung gegebenenfalls mit einem gut leitenden Mantel ausgekleidet werden.
Praktische Versuche haben z. B. ergeben, dass eine Spule, die ohne Beeinflussung durch die Leiter-l und 2-- eine ohmsche und induktive Impedanzkomponente von je etwa 100 Ohm aufweist, nach dem Anbringen des Leiters-l-eine ohmsche Komponente von rund 1000 Ohm und eine induktive Komponente der Impedanz von rund 40 bis 50 Ohm aufwies. Je nach Lage des Leiters --2--fiel die ohmsche Komponente bis auf rund 900 Ohm ab.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Messwertwandler für die Wegmessung, mit mindestens einer in einem Wechselstrom-Messkreis liegenden Messspule, auf die vom Messwert abhängige, durch das Spulenfeld induzierte Wirbelströme rückwirken und die in einen im übrigen nur olunsche Elemente aufweisendenMessstromkreist geschaltet ist, da dur c h ge ke n n- zeichnet, dass er einen mit der Messspule (3) fest gekoppelten Leiter (1) aufweist, so dass durch die in diesem induzierten Sekundär-Ströme eine vorgegebene Herabsetzung der induktiven Komponente der Spulenimpedanz auf einen, verglichen mit der ohmschen Komponente der Spulenimpedanz, derart geringen Wert erfolgt, dass die Spulenimpedanz praktisch ohmisch ist.