CN1427946A - 感应式测量变送器 - Google Patents
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Abstract
具有相对运动物件的感应式测量变送器，其中的一个(发送器部分2)具有至少一个电感发送器(6)，该发送器产生一个交变磁场，而其另一个(接受器部分1)则具有一个或多个电感接受器。一个电子电路(3)对电感发送器(6)供以交流电压。接受器(1)具有一个闭合的导线回路(10)，在该导线回路中，发送器部分(2)的一个或多个电感发送器(6)这样感应出一个电压，即通过导线回路(10)产生一根与相对于接受器部分(1)的，与发送器部分(2)的位置有关的电压曲线，并沿导线回路(10)连接一些电阻(11)。
Description
本申请涉及一种感应式测量变送器，用来确定一个相对于一物体运动的另一物体的位置。其中的一个物体配置了至少一个产生局部磁场的电感式发送元件，而另一个物体则具有一个电感式接受器，产生的局部磁场耦合到该接受器中，并配置有一个电子电路来对该电感式发送元件提供交流电压和一个用来测算角度的发送器的输出电压的电路。下述本发明的任务是提出一种测量变送器，它在花费少的情况下具有足够高的精度。
这类测量变送器最好作为测量角度和位移使用。
为了把一个转子相对于一个定子的角度位置转变成一个电信号，已经提出了大量的测量方法，这些测量方法实施起来，差别很大，视使用目的而异。感应式测量原理已被证明对环境影响特别不敏感。与光学的或电容的方法比较，这种测量原理对污物和凝露特别不敏感。磁传感器由于外加场或由于所用的永久磁铁的老化或消磁而会受到影响。此外，永久磁铁对空心轴传感器不适用，因为传感器在正常情况下必须布置在旋转点内。电位计的角度传感器在滑触和电阻层上具有磨损的缺点。
感应式角度传感器，例如分解型和同步型的角度传感器是熟知的和适用的。后者以其对称的结构而对偏心度相当不敏感。当然，它只容许在转子和定子之间存在小的空气隙。这种传感器以其结构复杂，价格较贵，因为精确加工和绕制的定子和转子需要高的加工费用和材料费用。
从DE 41 13 745 A1也已知这样一种结构；中心摆放的励磁线圈磁化一个装在转子轴上的、具有不同外直径的两半铁氧体转换磁芯，其中具有一个电感回线的印刷电路板位于这两半外部铁氧体转换磁芯上，在该回线上，可通过适当的抽头分接一个电压来确定角度信息。这种方法的主要缺点在于，转子结构不对称，所以转子旋转点相对于定子的中点移动而导致相当大的测量误差。此外，还需要一个覆盖整个角度范围的铁芯。正好在作为空心轴传感器使用的情况下需要一个很大的和昂贵的铁芯。与光***比较，由于在这类***中磁力线的传播的性质，这类***的有效中心点的确定是相当困难的。除了印刷电路板的精确定位外，还需要精确的支承。
在多数使用场合中，使转子精确对准定子是不可能的，或者说只有付出大的费用，例如附加轴承才有可能。实际上，产生的偏心度和轴向位于大于±1毫米。在不对称的***中，需要用大的直径，这常常导致使用时的诸多严重困难。
DE 197 57 689 A1描述了一种感应式的测量变送器，它用一个导线回路和一个电阻网络探测一个位置变化的交变磁场并获得一个与位置有关的输出电压。这种***对测量有限的位移和角度范围是很适用的，但用于360°的连续测量范围则需要相当大的附加费用。
上述的问题是通过本发明权利要求1所述的主题来解决的。各种有利的实施形式是各项从属权利要求的主题。
与已知的解决方案不同的是，本发明建议用这样的方式确定测量电压：在一个沿着由接收器元件描述的轨道延伸的闭合圆形导线回路中，通过一个或多个固定在转子上的只覆盖该环形导线组的一小部分的发送元件感应一个电压，并通过布置在该导线回路的圆周上的和在该处连接的电阻(这些电阻在另一端上成组地相互连接)在这些电阻组的连接点上在导线回路的单个电阻的连接点上形成一个由单个电阻的位置和数值确定的功能，如在一个角度范围内具有相同电阻值的电阻以均匀的间距用一端连接到导线回路上和用另一端连接到电阻组可分接一个电压的连接点上时，则可在一个连接点上获得这个角度范围的电压的一个平均值。为了可在360°范围明确确定角度，必须相对于转子的角度位置给出至少两条不同的电压曲线。这可通过组成连接在导线回路的不同范围的多个电阻组来实现。
在用单个电感发送元件的情况下，通过这个相当窄的发送元件的空气隙所处的角度在环形导线回路中感应一个交流电压，这个电压在环形导线回路中引起一个电流，该电流在朝整个圆周的方向通过导线回路的有感电阻和欧姆电阻而在圆周上引起一个均匀的电压降。这表明，在使用测出导线组的一个象限的平均值的电阻组的情况下，可获得一个所需的电压曲线来明确确定360°范围内的角度值。
当然，在只用一个传感元件的情况下，转子中心相对于定子中心在电感传感器运动方向内的移动会导致测量误差。同样，在圆周上，该导线组的阻抗的不完全均匀的曲线会进一步引起测量误差。
在本发明的另一种方案中，这个问题是这样解决的，即通过两个相互错开180°的电感发送元件在导线回路中感应相同幅值的反相电压。这样，这个导线回路就是一个具有两个相互连接的电压源的电路在两个电压源之间不存在电压差，因而没有电流流动。在导线回路上，带恒定幅值的电压位于单个发送元件之间，其中该导线回路的对应范围具有一个相同幅值的反向电压。由于没有电流流经导线回路，所以也不产生由于导线回路的阻抗引起的电压降。这样，导线回路的阻抗就不会进入测量结果中。
转子的旋转点相对于定子在两个对置电感发送器的运动方向内或运动方向的反方向内的移动引起的相对误差可在很大程度上予以消除。为此，可以设计特殊用途的角度传感器，这类传感器没有自己的支承和/或大的安装误差。
为了在发送元件的空气隙中产生磁场，需要一个相应的磁化力，并由此需要一个相应的励磁电流。
原则上，通过一个直接连接在振荡器上的线圈来供电是可能的。但在大多数情况中，由于为此需要移动的导线和旋转角的限制，这种方法并不适用。
在一个单独铁芯的情况下，可用简单的方法进行供电。作为电感发送器可用具有高磁导率的、设置有一个空气隙的铁芯。这个铁芯包围一个同心线圈的线匝和用来获得测量值的导线回路。该铁芯设计成能使励磁线圈产生的磁通的绝大部分流经它的空气隙。这样，在导线回路中，在铁芯的范围内感应一个交流电压，该电压便在导线回路中产生一个由该接受器对应的发送器的位置所决定的电压分布。
励磁线圈的漏磁通引起了测量信号的减弱和附加的测量误差。但通过低阻抗的短路环可明显减少这个影响，这种短路环与励磁线圈具有良好的电感耦合，但在电感发送器的铁芯的范围挖空。该环可看作初级线圈的已短路的次级线圈。在该环内流动的电流与励磁电流的初级电流方向相反并在很大程度上消除了铁芯外面的场。
在这个次级线圈中流动的电流也可用作一个或多个电感发送器的供电。这样就不再需要发送器的铁芯包围励磁线圈的线匝。因而可实现特别省地的结构，因为该次级线圈可用最小的距离布置到励磁线圈上。在这种布置情况下，原则上可完全不用软磁铁芯。但在这种情况中势必减弱有效信号。
在这种情况中，可这样放大有效信号：通过一个软磁铁芯来改善励磁线圈和次线线圈之间的耦合，该铁芯这样包围励磁线圈和次级线圈，使励磁线圈的力线主要流经该铁芯和由它构成的空气隙。
在有对置发送器的情况下，发送器电压直接从励磁线圈输入仪用铁芯是不可能的，或者只能是极端麻烦的，因为需要反相电压。铁芯的供电必须通过一个自己的线圈来进行。为此，如上所述，在转子上设置了一个中间电路。这可通过一个次级线圈来实现，该次级线圈与用交流电压供电的同心励磁线圈进行电感耦合，且其连接头按相反的绕线方向与仪用铁芯的线圈连接，其中这些线圈也可做成简单的导线回路。
具有闭合导线回路的感应式测量变送器的工作原理也适用于位移测量。此时闭合的导线回路做成接近于一个矩形，在该矩形的长边连接两组或多组电阻。在这里可用不同的结构型式。在用一个单独的铁芯时，设置两组电阻，它们连接在沿测量方向延伸的测量回路的纵侧上。这时用这两组电阻之间的电压差作为测量电压。这个电压差位于测量回路的垂直于测量方向的两侧之间，该电压差与电感传感器的位置无关并相当于由该电感传感器感应的电压的一半。然后把这电压用作基准电压，来构成与位置有关的和与位置无关的电压之间的比例(比率计的方法)，从而可在很大程度上使象温度、线圈电阻、铁芯几何形状这些对输出电压的影响因素变得不起作用。
电感发送器的激励可通过一个直接绕在该传感器的铁芯上的线圈来实现。用这种布置方式不产生可能影响测量结果的干扰漏磁通。
但在许多情况中不可能直接绕制电感发送器的铁芯，其原因例如需要移动的导线，这种导线具有高的故障概率。在这种情况下，电感发送器的激励可通过一个在整个测量长度上延伸的线圈来实现，其中该铁芯包围线匝和导线回路。
当励磁线圈直接布置在测量回路下方时，则会产生相当大的漏磁通。在理想情况下，这种现象暂时不起作用。但整个测试回路的电阻分布的误差则是比较明显的。所以在设计测试回路时，最好把由不可避免的漏磁通引起的励磁线圈输出的电感电压消除掉。这可通过反向的测试回路来实现，亦即测试回路由两部分组成，其端部通过两根低欧姆的导线这样连接，使一部分导线的始端与另一部分导线的终端连接。另一种可能性是，用一个正常的矩形回路，并为此把线圈分成两部分，它们并排排列并具有相反的绕线方向。
象在角度测量时那样，也可用两个铁芯，这两个铁芯在导线回路中感应一个反向的电压。这样，在导线回路中就没有电流流动，从而使导线回路的电阻不进入测量结果中。
还可通过设置两个测量铁芯来扩大测量范围，这两个测量铁芯配属于测量回路的两个对置的导线部分。在一个铁芯离开测量回路的范围时，第二个测量铁芯进入测量回路的对置部分中。但在这种情况中，最好构成四组电阻，并进行类似于带有两条错开90°特性曲线的角度传感器那样进行测定。测量长度还可通过别的铁芯来扩大，从而使输出信号呈周期性地重复，所以该输出信号含糊不清。这里还需要一些别的熟知的措施来确定绝对位置。
上述的工作原理用下面所举的例子来进行说明。
图1：带有一个电感发送元件的、用来测量角度的感应式变送器的示意图；
图1a：图1所示测量变送器的侧视图；
图2：图1所示的当作为角度传感器时的导线回路上的电压曲线；
图2a：与该测量变送器的角度位置有关的电阻网络输出端上的电压曲线；
图2b：对置的电阻组的电压差的曲线；
图3：带有两个对置电感发送器的、用来测量角度的感应式变送器的示意图；
图4：在两个发送器时导线回路的电压曲线；
图5：带一个测量头的并通过一个同心线圈供电的、用于测量角度的感应式变送器的示意结构；
图6：带有一个电感发送器的、用一个同心线圈供电的并用一个屏蔽环来抑制漏磁场的、用来测量角度的感应式变送器的示意结构；
图7：带有两个测量头的、用一个同心线圈供电的、和带有一个中间电路的、用于测量角度的感应式变送器的示意结构；
图8；测量角度用的感应式变送器的等效电路；
图9：用来测量角度的感应式变送器的示意结构，它具有两个测量头并用一个同心线圈和一个具有软磁铁芯的中间电路进行供电，以提高励磁线圈和中间电路之间的电感耦合；
图10：带中间电路的测量变送器的等效电路；
图11：用于测量位移的感应式变送器的一个实施例；
图12：在用图11所示位移传感器时得出的位移与输出电压的关系曲线；
图13：带有延长测量范围的、用于测量行程的感应式变送器的一个实施例。
图1表示带有一个电感发送器的电感角度传感器的示意图。该传感器由一个固定的环形印制电路板形状的环形定子1和一个在该定子对面旋转支承的转子2以及电子测算单元3组成。转子2的旋转点与定子1的中心重合。带有线圈7的软磁芯9形状的电感发送器6用一个固定元件5这样固定在转子2的轴4上，即使定子板位于铁芯9的空气隙内。线圈7与一个交流电压源电连接。
定子板1具有一个闭合的导线回路10，电阻11按规定的距离连接在该导线回路上。这些电阻11组成四组并在另一端连接到圆形印制导线12、13、14和15上，而这些印制导线又用连接线16、17、18和19连接在电子测算电路3上，在该处进行下述测量信号的测定。
图8表示测值发送器的等效电路图。图形的导线回路10通过大小相同的复阻抗ZL1...ZLn(纵向阻抗)来表示。这些电阻这样串联，它们构成一个闭合回路。电感分量在电感发送器所在的部位起变压器作用，其初级侧与一个交流电源连接。这些变压器的耦合随电感传感器的位置而变化。电阻网络通过大小相同的复阻抗ZQ11..ZQ1m，ZQ21..ZQ2m，ZQ31..ZQ3m和ZQ41..ZQ4m(横向阻抗)来表示。可假定该网络的电感分量jwLw与电阻值Rw比较起来，小到可以忽略不计。同样可假定复阻抗Z1..与电阻ZQ..比较，是很小的。还假定单个电阻的数目很大，达到了足够接近于具有无穷多电阻的曲线。
这样就可容易地识别在纵向阻抗和横向阻抗的连接点上沿导线回路的电压Us的波形。同样也可容易地确定电阻网络的输出电压。
图2表示在图1所示角度位置时沿导线回路10的电压Us的理想波形。图1测量铁芯6的中点内的导线回路10上的电压作为参考点用。通过沿电阻11径向向外的一个抽头来进行测量。负的数值应作为180°相位移的电压来理解。通过空气隙内的磁通在导线回路中形成一个电压，该电压由抽头20、导线回路的一段到第二抽头21，抽头21和测量仪器22构成。这个电压相应于该仪用铁芯的磁通呈陡峭上升，然后在该仪用铁芯以外，以位于该测量铁芯和抽头之间的角度呈直线下降。这个电压降通过导线回路的阻抗来产生，而且不论该电压降是由一个欧姆电阻还是由一个电感电阻所引起，都是同样适用的。在该仪用铁芯对面的印制电路板的部位，该电压变成0，相位倒相，幅值重新上升到该铁芯另一侧上的最大值。
在Q1(12)、Q2(13)、Q3(14)、Q4(15)的连接点上的电压相当于象限Q1...Q4范围内的回路11上的电压平均值。当转子转动时，电压波形按角度移动。Q1...Q4的输出电压相应改变。
图2a表示电阻网络输出端上的电压波形。假定在圆周上电阻是均匀分布的。由于边缘效应引起的舍位被忽略，并假定电感发送器的宽度很小，可以忽略不计。电压UQ1...UQ4相当于图2连接了所属电阻的导线回路部分上的电压平均值。由于电压测量的参考点是不能使用的，因为它随该传感器一起移动，所以只抽取对置象限之间的电压差。电压可通过按图2b的电压值UQ1-UQ3和UQ2-UQ4的简单的求差转换成两个相似的函数，它们只是错开了一个90°的转子角度。这个函数已可对转子位置进行明确的确定。通过UQ1-UQ3+UQ2-UQ4或UQ1-UQ3-UQ2+UQ4求和与求差得出图2C的波形。这个函数的优点是，输出电压值的和是恒定的。所以这个和可用来作为确定角度值的基准。由于电压与这个角度呈线性上升或下降，所以可按人所熟知的方法简单确定测量角度。为了确定一个有限的角度，只用电压作为角度位置的基准已经足够。原则上，对确定角度的这些已知方法来说，通过适当的设计电阻网络也可表示别的函数，例如正弦-余弦函数。
(Q1...Q4)的段数可以选择多于这里所示出的段数。这样就得到相应多的较陡的特性曲线，但它们需要较高的费用。
另一种可能性是，在180°角度内，分别设置两对对置的电阻网络，其中一对与另一对错开90°。这时第一对之间的电压差相当于图2C的第一条曲线，而第二对之间的电压差则相当于第二条曲线。但缺点是，在输出曲线的相同线性的情况下，电阻网络必须具有多一倍的电阻。
单个电阻也可通过单个象限的环形导线回路和连接线之间的电阻层来代替。
在上述结构中，转子的旋转点相对于定子1的中点在电感传感器6的运动方向内的侧向(径向)移动引起一个误差，因为在导线回路上的电压曲线相应地产生了变化。恰好在角度传感器不具有自己支承的使用场合中，例如在空心轴传感器时，这会导致不容许的高的误差。在这里提出的一个补救办法是，布置两个错开180°的电感发送器来对测量结果产生接近相同的影响。
图3表示一个具有两个错开180°的电感发送器的角度传感器的示意结构。定子1相当于图1的结构。所以，凡是与图1一致的符号，此图也予以引用。不同的是，转子具有两个电感传感器31和32，它们的线圈33和34与交流电压源35这样串联，使流过的交流电流在电感发送器内产生不同方向的磁通。这样，在闭合的导线回路10内，在电感发送器的整个宽度上分别产生反向的电压，从而抵消整个圆周上的电压，所以在通过该电阻网络的电流忽略不计时，就没有电流流过该导线回路。同样在这两个电感发送器31和32之间也不产生电压降。这样，导线回路的电感电阻或欧姆电阻对圆周上的电压曲线没有影响，只要它相对于网络电阻保持很小而可略去不计，这是不难实现的。
图4表示在带有两个电感发送器的一个角度传感器时在导线回路10的圆周上的电压曲线，它与带有一个电感发送器的角度传感器的图2相当。这里电压Us的值沿回路10至发送器31的始端都保持恒定，然后通过它的宽度过渡到反相的值(表示负的)并直至第二发送器的始端又保持恒定，随后再通过它的宽度过渡到同相的电压。
从中得出相当于图2b或在数值相加时相当于图2C的电阻网络的输出电压。
转子旋转点垂直于发送元件运动方向的移动引起了导线回路10内的电压分布的改变。图4的虚曲线表示在转子旋转点从定子中点移动时沿测量回线的电压曲线。在本例中，只有在90°和180°之间和在270°和360°(0°)之间的范围内的输出电压才对测量结果有影响。这些输出电压通过相关范围的回路电压的积分而得，其中第二范围属于负的。不难看出，通过这两个对结果关系重要的象限的特性曲线的积分大大消除了特性曲线的偏差。
在图1中没有详细描述电感发送元件的供电。在正常情况下，发送元件直接连接在一个交流电压源是不可能的，因为通过导线连接是不可靠的，或者在带有不断旋转的轴的情况下，原则上是不可能的。所以需要把励磁功率无接触地传递到转子上。在按图1具有一个电感发送元件的结构中，这可通过一个同心的线圈来实现，该线圈的线匝被该电感发送元件的铁芯包围。这样，在该铁芯的空气隙范围内由该线圈产生的磁通就被导入测量回线中。图5表示一个相应的结构，它以有利的方式按印制电路技术布线。在轴40上，在一个支撑体41上固定了一个软磁铁芯42。该铁芯这样设计，即它包围安装在定子43上的线圈45，而且由该线圈产生的磁通φ绝大部分流经该测量回路44。
在这种结构时，在该铁芯外面不能完全避免漏磁通。但与别的测量方法不同的是，这在原则上只会导致有效信号的削弱。直到仪用铁芯的范围该漏磁通以相同的方式对整个圆周产生作用。由该漏磁通产生的电压抵消了导线回路上的电压降。但原则上漏磁通会增加测量误差，因为在测量回路中增加了线性误差的影响，如果励磁线圈直接耦合在测试回路中，则该励磁线圈必须比较靠近测试回路布置，因为不这样势必需要很大的铁芯，从而又产生大的漏泄磁场。
所以，正是这种结构，即上于结构原因把励磁线圈和测试回路紧靠设置才能尽可能地消除漏磁通的影响。这可通过仪用铁芯的适当形状或通过短路环来实现。在铁芯的构形中通常受所用材料种类的限制。一般所用的铁氧体相当脆，只能提供有限的构形可能性。
固定在转子上和覆盖励磁线圈的短路环是特别有效的，然而它却围绕仪用铁芯，使其中流动的电流不对该仪用铁芯产生磁化作用。在该短路环中流过的电流产生一个自身的磁场，该磁场在很大程度上消除了初级磁场，所以，实际上只有仪用铁芯的磁场流经该测试回路。
图6和图6a表示具有一个电感发送元件52和一个同心的发送器线圈55的角度传感器的示意图，其中的漏磁通通过一个短路环来抑制。仪用铁芯52和用高导电率材料制成的短路环54用支承体51安装在轴50上。该短路环包围定子53，而该定子以印制电路板的形式支撑励磁线圈55和测试回路56。通过流经线圈55的电流Ie产生一个磁场，该磁场也大部分延伸测试回路56的范围，但也包围着短路围54。对励磁线圈来说，该短路环54为具有良好耦合的低阻抗次级线圈。所以接近于初级磁势Ie·w(励磁电流乘匝数)的次级电流Is流过短路环。由此产生的磁场在很大程度上抵消了在该短路环外面的初级场。所以用来产生馈电电压的互感所需的磁通主要由通过仪用铁芯流过测试回路的磁通来产生。
原则上，也可用次级电流来对电感发送元件进行供电，所以仪用铁芯可这样设计，使它只包围测试回路，从而可使该仪用铁芯变得相当小。甚至可以取消铁芯，并通过一个流通次级电流的导线回路(传感器回路)来产生磁场。当然，此时的次级回路不再是纯粹的短路线圈。它必须在仪用铁芯的线圈上或传感器回路上输出一个电压，以便在测试回路中重新感应一个电压。
这个方法在用两个仪用铁芯的情况下是特别有利的。在用图2所示两个错开180°的发送器时，电感发送器(仪用铁芯或发送器回路)必须在相反的方向内磁化，以便在测试回路上产生要求的电压分布。虽然原则上与一个或多个励磁线圈的直接耦合是可能的，但会导致占地面积大的极复杂的结构。
用一个次级回路可达到一个简单而又省地的结构。图7表示具有两个错开180°的、由一个次级回路供电的电感发送器元件的角度传感器的示意图。两个用一种高磁导率材料制成的相同的铁芯62和63以及一个用高电导率材料制成的回路66用支撑体61固定在轴60上。该回路通过铁芯62沿反时针方向和通过铁芯63沿顺时针方向延伸，然后到达定子65上的励磁线圈66。定子65相对于转子是这样布置的，使在其上的测试回路67位于铁芯62和63的空气隙中，且导线回路64位于离励磁线圈66很小的距离。励磁线圈66由一个交流电源供电。励磁线圈66产生的磁场大部分包围回路64并在其中感应一个相应的交流电压。由此产生的电流沿顺时针方向围绕铁芯62流动，在对面铁芯63内，则电流沿反时针方向流动。这两个铁芯在具有相同磁特性的前提下，其磁通是相同的，但在相反的方向内延伸。这样就给定了该角度传感器在图3和图4中的特性。通过该测试回路产生一个在这两个铁芯之间保持恒定的电压。从而明显减少了转子旋转点从中心移动所引起的测量误差。
用一个中间电路这种方法的缺点是，由于励磁线圈的漏磁通削弱了接受器输出端上的有效信号。此外，漏磁通输入测试回路是不希望出现的，因为这样就会引起测量误差。补救办法是，可通过一个软磁铁芯来提高电感耦合。
图9表示用来测量角度的感应式变送器的示意结构，它具有两个发送元件并用一个同心线圈和一个具有软磁铁芯的中间电路进行供电，以便提高励磁线圈和中间电路之间的电感耦合。这种结构相当于图7所示的测量用变送器。定子71由一个印制电路板组成，该印制电路板支撑一个励磁线圈76和一个电感接受器77。转子70固定在轴72上并主要由一个机械连接元件、一个环形软磁铁芯73、一个用良导电材料制成的次级线圈74和两个软磁铁芯75组成，该次级线圈沿相反的方向缠绕这两个软磁铁芯。铁芯73是这样设计的，即它与次级线圈74或中间电路或平行于励磁线圈缠绕的部分共同包围励磁线圈的线匝。因为该铁芯用一种具有相当高磁导率(20...1000，视材料而异)的材料制成，所以由该铁芯和空气隙构成的回路的磁阻比由空气隙构成的回路的磁阻小。以一个印制电路的形式装在该定子上的励磁线圈76中通过交流电并产生一个与之相应的磁通φe，该磁通由于磁芯和空气隙的低的磁阻绝大部分流经软磁铁芯。为了对供电电压产生需要的反电势，需要一个相应的磁通。
图10表示测量变送器的一个等效电路图，为简化起见，只用一个发送器。图中正规地示出了由励磁线圈和次级线圈构成的变送器。次级电压和次级电流按匝数比换算。电路的负荷通过接受器83是很高欧姆的，因而可忽略不计。一个交流电压源81对变送器82的励磁线圈供电，该励磁线圈用励磁线圈和次级线圈之间的分量LSE(漏电感)、RE(励磁线圈的欧姆电阻)、LKE(耦合电感)来表示。用LKG表示的发送器的供电电压在LKE引出，其中由于次级回路LSG的漏电感和欧姆电阻RG还会产生一个电压降。
软磁铁芯(图9-13)引起电感LKE(图10)的增加，所以减少了漏电感LSE和励磁线圈的电阻对输出电压的数值和相位的影响。
图11表示一个测量位移用的感应式变送器的实施例。
励磁线圈82安装在一块矩形的支撑板80上，该励磁线圈用交流电供电。在该线圈内布置了一个导线回路83。该导线回路由分段84和85以及连接线86组成。与在中心处相交的连接线86比较，分段84和85是高欧姆的。电阻88连接在分段84上，而电阻87则连接在分段85上。这些电阻在另一端上分别连接在连接线89或90上。在这些连接线上引出测试电压Ua，即连接线之间的比较电压Ur。
线圈82用交流电压供电并由此产生一个交变磁场。如果不存在铁芯81，则通过测试回路83的总磁通等于零。这时由电阻88和87只导出很小的回路电流IS，因为沿分段84和85存在电压差。电压差Ua保持零。
如果引入铁芯81，则通过测试回路的有效磁通由铁芯81和由通过励磁线圈85的电流来确定。相应地，感应出一个电压，该电压产生一个通过测试回路83的电流JS。这个感应的电压和通过电流JS在导线回路83的电阻上引起的电压降产生一个与图2相似的电压曲线。通过电阻组87和88的连接线之间的电压差的形成得出连接线89和90上的一个与位置有关的输出电压Ua(图12)。如果这个铁芯被引入导线回路的范围，则电压Ua增加，直至导线回路84完全包围铁芯81的极面为止。测试电压Ua随位移行程s呈直线下降并在中点过零，而电压Ur则保持恒定。在这种情况下，其他的电压曲线是对称的，其中相位移动了180°的电压表示负值。
此外，还有带两个电感发送器的一种可能的结构型式，这两个发送器感应两个接近相等的但方向相反的电压，所以没有电流流经导线回路，且沿导线回路的变压曲线与图4一致。
图13表示一个具有延长测量行程的变送器的示意图。在印制电路板92上安装了两个串联的线圈93和94，这两个线圈这样相互串联，即它们可产生一个反向的交变磁场。此外，还设置了一个与图11所示的导线回路在结构上相似的导线回路98。在该导线回路上连接了四个电阻组99...102，这些电阻组引出到连接线，以便测量电压U1、U2、U3和U4。在一个可沿测量方向移动的支撑体95上，按一定距离L固定了两个软磁铁芯96和97，这个距离相当于导线回路98在测量方向内的延伸。当支撑体95按预定的测量范围移动时，除在过渡区外，两个铁芯96和97只有一个位于导线回路98的范围内，而在过渡区内，在测量范围的中央区，一个铁芯象另一个铁芯移出那样地进入导线回路中。这两个铁芯在导线回路98中产生与图2相似的电压曲线，其中一个分段98a或98b的长度相当于一个180°的角度。这样就可在接头上引出电压U1...U4，这些电压相当于图2a...2c所示的曲线。从而准确地确定该导线回路双倍延伸的整个调节范围减去铁芯宽度的位置。通过别的铁芯可任意扩大测量范围，这时产生一个周期的输出信号。但测量值由此而变成多值的。所以为了确定绝对值，还需要人所熟知的其他装置，例如终端开关和周期计数器。
Claims (15)
1.具有相对运动物件的感应式测量变送器，其中的一个(发送器部分2)具有至少一个电感发送器(6)，该发送器产生一个交变磁场，而其另一个(接受器部分1)则具有一个或多个电感接受器，一个或多个电感发送器(6)的交变磁场耦合到该一个或多个电感接受器中，其中设置了一个电子电路(3)来对电感发送器(6)供以交流电压，并设置了一个电路来测算测量变送器的输出电压，其特征在于，接受器部分(1)具有一个闭合的导线回路(10)，在该导线回路中，发送器部分(2)的一个或多个电感发送器(6)这样感应出一个电压，即通过导线回路(10)产生一根与相对于接受器部分(1)的发送器部分(2)的位置有关的电压曲线，并沿导线回路(10)连接若干电阻(11)，这些电阻在另一端上相互这样连接成组(12...15)，即可在这些电阻组的连接点上引出电压，这些引出的电压为与接受器部分(1)相对的发送器部分(2)的位置的函数并可明确地确定该位置，其中电阻(11)的位置和数值确定该位置的函数。
2.按权利要求1所述的感应式测量变送器，其特征在于，测量电压从各两个电阻组之间的连接点上的电压差中得出。
3.按权利要求1或2的感应式测量变送器，用来确定接受器部分(1)和发送器部分(2)之间的一个角度，其特征在于：发送器部分(2)可相对于接受器部分(1)旋转，且一个或多个电感发送器(6)相对于接受器部分(1)大致绕一条圆形轨道运行；闭合的导线回路(10)在测量范围内大致呈圆形。
4.按权利要求3所述的感应式测量变送器，其特征在于，闭合导线回路(10)基本上构成一个圆，并在闭合导线回路(10)上连接了若干电阻(11)，这些电阻在另一端上分别在一个预定的角度范围内最好大约90°的范围内彼此相连并在这些连接点(12、13、14、15)可引出用来确定角度的电压。
5.按权利要求1至4至少一项所述的感应式测量变送器，其特征在于，电阻网络由电阻层构成。
6.按权利要求1至5至少一项所述的感应式测量变送器，其特征在于：该发送器部分的电感发送器(41)由一个用高导磁率的材料制成的铁芯(42)组成，铁芯(42)具有一个空气隙，该接受器部分的闭合导线回路(44)可通过该空气隙敷设；该接受器部分具有一个线圈(45)，该线圈用交流电压供电，且其线匝同样被铁芯(42)包围(图5)。
7.按权利要求6所述的感应式测量变送器，其特征在于，发送器部分(51)至少具有一个低阻抗的闭合导线回路(54)，该导线回路与线圈(55)具有良好的电感耦合并在一个或多个铁芯的范围内是这样进行的，即流过低阻抗闭合导线回路(54)的电流不引起或只引起铁芯的很小的磁化力(图6)。
8.按权利要求1至7至少一项所述的感应式测量变送器，其特征在于：接受器部分(65)具有一个线圈(66)，该线圈用交流电压供电；而发送器部分(61)则具有一个用来与线圈(66)进行电感耦合的耦合线圈(64)，该线圈与一个或多个电感传感器的一个或多个线圈(64)这样电连接，即在耦合线圈(64)中流过的电流用来产生一个或多个电感发送器的交变磁场(图7)。
9.按权利要求3至8至少一项所述的感应式测量变送器，其特征在于，发送器部分(30)具有两个错开180°的电感发送器(31、32)，它们分别产生一个交变磁场，该交变磁场以大致相同的幅度但在相反方向内磁化该电感接受器(图3)。
10.按权利要求8或9所述的感应式测量变送器，其特征在于，发送器部分(30；61)的线圈由一个唯一的导线回路组成。
11.按权利要求8至10至少一项所述的感应式测量变送器，其特征在于，接受器部分的线圈(76)和耦合线圈(74)的电感耦合通过一个用高导磁材料制成的铁芯(73)至少部分地得到了加强。
12.按权利要求1或2所述用于测量位移的感应式变送器，其特征在于，闭合的导线回路(83)做成接近于曲线，该曲线含有两个平行于测量方向延伸的分段(84、85)，在这两个分段中，一个或多个可在测量方向内运动的电感发送器(81)感应一个电压，并在该发送器沿测量方向延伸的一侧上连接了两组或多组电阻(87、88)，这些电阻在另一端引到端子上，在这些端子上可引出一个或多个与位置有关的电压(Ua)。
13.按权利要求12所述的用来测量位移的感应式变送器，其特征在于，在垂直于测量方向延伸的闭合导线回路(83)的两侧设置有电压抽头，以便在测量范围内测定一个与电感发送器(81)的位置无关的并由该电感发送器感应出的电压(Ur)。
14.按权利要求12至13所述的用来测量位移的感应式变送器，其特征在于，设置了两个电感发送器，它们在闭合导线回路(3)中感应出反向的、接近相等的电压。
15.按权利要求12至13所述的用来测量位移的感应式变送器，其特征在于：分别在导线回路对应两侧，按导线回路(98a、98b)的测量方向内延伸的分段(98a、98b)的长度(L)错开地设置了至少两个电感发送器(97、96)；当这些电感发送器位于该导线回路的范围内时，它们产生幅度接近相等的交变磁场，该磁场这样取向，即在该导线回路中不产生倒相。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |