DE19635298A1 - Meßspule - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spule, insbesondere zur Verwendung als Meßspule in einem Oszillator-Schwingkreis.

Zur berührungslosen Messung von Weg und Schwingwegen oder dar­ aus abgeleiteten Größen wird beispielsweise das Wirbelstrom- Meßverfahren eingesetzt. Ein Wirbelstromaufnehmer besteht im wesentlichen aus einer gegen Umwelteinflüsse geschützte Meß­ spule, die von einer Oszillatorschaltung mit einem Wechselstrom gespeist wird. Um die Meßspule bildet sich daher ein alternie­ rendes magnetisches Feld aus, welches beim Einbringen eines leitfähigen Materials in dieses Feld Wirbelströme im leitfähi­ gen Material induziert.

Die Wirbelströme sind umso stärker, je kleiner der Abstand zwischen leitfähigem Material bzw. Meßobjekt und der Meßspule ist. Diese Wirbelströme haben zur Folge, daß die elektrischen Eigenschaften der Aufnehmerspule verändert werden. Die Verände­ rungen werden meßtechnisch ausgewertet und ergeben ein ab­ standsabhängiges Ausgangssignal.

Aufnehmer nach dem Wirbelstrom-Meßverfahren werden beispiels­ weise bei der Maschinenüberwachung in einem sehr weiten Tempe­ raturbereich eingesetzt. Da man für Schwingungsmessungen bzw. Wegmessungen sehr hohe Anforderungen an die Linearität und Reproduzierbarkeit des Aufnehmers stellt, ist eine Temperatur­ kompensation dieser Aufnehmer unerläßlich. Bei den bisher be­ kannten Wegaufnehmern nach dem Wirbelstrom-Meßverfahren im folgenden Wirbelstromaufnehmer genannt bestehen die Drahtwick­ lungen der Meßspule meist aus Kupfer- oder Silberdraht. Kupfer- oder Silberdraht besitzt zwar eine besonders hohe Leitfähig­ keit, jedoch eine erhebliche Temperaturabhängigkeit von bis zu 40% pro 100 K.

In der Praxis werden zwecks Temperaturkompensation die Win­ dungszahl, der spezifische Widerstand des Drahtmaterials, der Drahtdurchmesser, die Arbeitsfrequenz und die Form der Spule derart aufeinander abgestimmt, daß in einem begrenzten Tempera­ turbereich die ohmschen Verluste in der Meßspule, die linear mit steigender Temperatur zunehmen, durch etwa gleich große Wirbelstromverluste in der Spule, die durch den Skineffekt auftreten und die mit der Temperatur abnehmen, kompensiert werden. Diese sogenannte passive Kompensation ist sehr aufwen­ dig und teuer. Zudem ist eine Einstellung der hierzu optimalen Frequenz nicht immer wünschenswert oder möglich.

Aufgrund von Fertigungstoleranzen kann auch der gewünschte Drahtdurchmesser der Spule abweichen. Diese Abweichung kann zu großen Ungenauigkeiten führen. Die passive Kompensation und die damit verbundenen Probleme führen dazu, daß zusätzlich eine aktive Kompensation des Wirbelstromaufnehmers erfolgen muß, die eine aufwendige nichtlineare Nachsteuerung über den Temperatur­ bereich zur Folge hat.

In Sonderbauformen werden große Spulen eingesetzt, deren Draht­ material aus Konstantan besteht. Dieses Drahtmaterial hat einen sehr geringen Temperaturkoeffizienten, jedoch auch eine geringe Leitfähigkeit. Eine kleine Spule aus Konstantandraht besitzt daher schlechte Schwingeigenschaften und ist als Meßspule un­ geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die beim Stand der Technik erforderliche aufwendige Temperaturkompensation zu vermeiden, und in einem bestimmten Temperaturbereich eine zu vernachlässi­ gende Temperaturabhängigkeit von Wirbelstromaufnehmern zu er­ halten.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Wicklungsdraht der Spule aus einer Legierung eines hochleitfähigen Materials mit einem magnetischen Material der 3 d- oder der 4 f-Reihe des Periodensystems besteht. Als hochleitfähiges Material kann beispielsweise Kupfer oder Gold oder Silber oder Aluminium verwendet werden, legiert mit Metallen der Eisengruppe oder der Lanthanidengruppe. Zur Eisengruppe gehören Eisen, Cobalt, Nic­ kel, zur Lanthanidengruppe zählen Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium. Dieses Drahtmaterial hat einen wesentlich kleineren Tempera­ turkoeffizienten als beispielsweise Kupfer oder Silber und besitzt daher nur eine geringere Temperaturabhängigkeit über den Arbeitsbereich und hat weiterhin eine wirksame Leitfähig­ keit, die nur wenig geringer ist als die von reinem Kupferdraht oder Silberdraht.

Als besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Spule besteht der Wicklungsdraht aus einer Legierung aus Kupfer mit 1 bis 13% Mangan. Damit kann eine Meßspule realisiert werden, deren Tempe­ raturkoeffizient kleiner als 30%/100 K und größer als 2%1100 K ist, wobei der spezifische elektrische Widerstand in den Grenzen 0,3 µOhm·cm und 3 µOhm·cm liegt.

Die geringe Temperaturabhängigkeit kann, falls erforderlich, durch die Anordnung eines temperaturabhängigen Bauelementes korrigiert werden.

Es ist weiterhin möglich eine einfache aktive Temperaturkom­ pensation aufgrund der tatsächlich gemessenen Temperatur durch­ zuführen. Die nun mehr frequenzunabhängige Kompensation des Temperaturgangs der Spule erlaubt somit auf einfache Weise die Optimierung der Meßeigenschaften des Wirbelstromaufnehmers durch Einstellung der Arbeitsfrequenz.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß in dem Oszillatorschwingkreis der Spule ein Heißleiter in Reihe geschaltet wird oder der Spule ein Kaltleiter parallel geschal­ tet wird.

Claims (5)

1. Spule, insbesondere zur Verwendung als Meßspule in einem Oszillatorschwingkreis mit mindestens einer Spulenwicklung aus Wicklungsdraht, dadurch gekennzeichnet, daß der Wick­ lungsdraht aus einer Legierung eines hochleitfähigen Mate­ rials mit mindestens einem Material der 3 d- und/oder der 4 f-Reihe des Periodensystems besteht.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus Kupfer mit 1 bis 13% Mangan besteht.

3. Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Oszillatorschwingkreis der Spule ein Heißleiter in Reihe geschaltet wird.

4. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Oszillatorschwingkreis der Spule ein Kaltleiter parallel geschaltet wird.

5. Anwendung einer Spule nach einem der vorhergehenden An­ sprüche in einem Wirbelstromaufnehmer dadurch gekennzeich­ net, daß die verbleibende Temperaturabhängigkeit gemessen wird und das Temperaturverhalten nachgesteuert wird.