DE2411139C3 - Induktiver Meßwertgeber zum berührungslosen Erfassen des Abstandes zweier Objekte - Google Patents
Induktiver Meßwertgeber zum berührungslosen Erfassen des Abstandes zweier ObjekteInfo
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Description
55
Die Erfindung betrifft einen induktiven Meßwertgeber in Form einer wechselstromdurchflossenen Spule
zum berührungslosen Erfassen des Abstandes eines sich bewegenden Objekts zu einem Bezugsobjekt mit
elektrisch leitfähiger Oberfläche, beispielsweise des Abstandes zwischen einer Schienenanordnung und
eines an dieser berührungslos gehaltenen Fahrzeugs.
Bei einem solchen z. B. mit dem sich bewegenden hi
Objekt verbundenen Meßwertgeber wird bekanntlich die Abhängigkeit der Induktivität der Spule vom
Abstand zwischen beiden Objekten für Messungen ausgenutzt, etwa in der Weise, daß die Induktivität mii
Hilfe der Eigenfrequenz eines mit der Spule gebildeter Schwingkreises ermittelt wird. Die Genauigkeit diesei
Messung wird im wesentlichen durch die Konzeptior der Spule bestimmt Es hat sich gezeigt, daß bekannte
Spulen als Meßwertgeber nicht den hohen Anforderun gen an die Genauigkeit der Messung genügen, wie sie
beispielsweise beim Erfassen des Abstandes zwischer Magnetschwebefahrzeugen bzw. deren Trag- unc
Führungsorganen und der zugeordneten Schienenan Ordnung gestellt werden. Der Grund hierfür ist darin zi
sehen, daß die Induktivität der Spulen bei größerer Abständen etwa in der Größenordnung von Zentime
tern im Falle einer Abstandsänderung beispielsweise von wenigen Millimetern sich nicht oder nur geringfügif
ändert und mit dem Abstand stark nichtlinear verknüpf ist
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einer Meßwertgeber der eingangs genannten Art aufzuzei
gen, bei dem der Zusammenhang zwischen der zi erfassenden Abstandsgröße und der Induktivität dei
Spule wesentlich besser definiert ist und bei dem diesel Zusammenhang, beispielsweise zwecks Linearisierung
beeinflußbar ist
Diese Aufgabe ist gemäß dem Kennzeichen de: Patentanspruchs 1 gelöst
Der Lösung gemäß der Erfindung liegen zwe Gedankengänge zugrunde:
Zum einen werden in der Hülle der Spule wie be üblichen Abschirmungen für hochfrequente elektro
magnetische Felder Wirbelströme induziert, die durcl
das von ihnen erzeugte magnetische Feld den einwirkenden magnetischen Feld des in der Spulenwick
lung fließenden Stromes in dem Maße entgegenwirken daß durch die Hülle (bei entsprechender Dicke
praktisch kein magnetischer Fluß hindurchtreten kann
Infolge der Hülle wird also bei dem Meßwertgeber bzw der Spule gemäß der Erfindung praktisch nur durch dii
Durchtrittsöffnungen ein magnetischer Fluß verlaufen mit anderen Worten, der magnetische Fluß wird ii
definierter Weise geführt Dabei ist im Rahmen de Gestaltungsmöglichkeiten des von der Hülle umschlos
senen Raumes jede gewünschte Führung des magneti sehen Flusses realisierbar.
Zum anderen wird bei entsprechend hoher Frequen; des durch die Spulenwicklung fließenden Stromes de
magnetische Fluß außerhalb der Spule im wesentliche) nur den freien Raum zwischen dieser und den
Bezugsobekt durchsetzen, weil bei hinreichend hohei Frequenz der magnetische FIuB praktisch nicht in di<
leitfähige Oberfläche des Bezugsobjektes eindringt Somit ist der für die Induktivität der Spule maßgeblich«
magnetische Widerstand des Weges für den magneti sehen Fluß proportional der Länge und umgekehr
proportional dem Querschnitt des vorgenannten Rau mes. Demzufolge ist ein gut auswertbarer, im wesentli
chen linearer funktionaler Zusammenhang zwischen dei Induktivität der Spule und der zu erfassendei
Abstandsgröße dann gegeben, wenn in jeder Lage dei Spule gegenüber dem Bezugsobjekt ausschließlich dei
Raum zwischen ihnen den Betrag des magnetische! Flusses von Durchtrittsöffnungen zu Durchtrittsöffnunf
begrenzt. Diese Voraussetzung erfüllt die vorgeschlage ne Anordnung und Ausbildung der Durchtrittsöffnun
gen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung und in dei Unteransprüchen gekennzeichneter Weiterbildunger
werden anhand der Zeichnung nachfolgend nähe
24 Π 139
erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Fig, I in perspektivischer Ansicht eine Spule mit
einer Hülle, teilweise aufgebrochen,
Fig.2 in einer Seitenansicht eine andere Ausführungsform
einer Spule der in Fig. t dargestellten Art gegenüber einer Schiene,
Fig.3 die Spule gemäß Fig.2 in Verbindung mit
einer zweiten, gleichartigen Spule.
Die Spule gemäß F ί g. 1 besteht aus einem Kern 1 vorzugsweise aus ferromagnetischem Material (z. B.
Ferrit) mit einer Wicklung 2 aus isolierten, flachen, bandförmigen Windungen, z. B. Kupferband mit einer
Lackierung. Die gesamte Anordnung ist von einer enganliegenden Hülle 3 umgeben, weiche nur Polflächen
4 dfis Kernes 1 freigibt. Die Hülle 3 besteht aus einem hinsichtlich der Ausbildung von Wirbelströmen
elektrisch gutleitenden Material, wie Kupfer od. dgl.
Infolge der (nicht ersichtlichen) Isolation der Windungen der Wicklung 2 sind diese nicht nur gegeneinander,
sondern zwangsläufig auch gegenüber der Hülle 3 isoliert Um auszuschließen, daß die Hülle 3 als eine die
Wicklung 2 induktiv kurzschließende Windung wirkt, ist die Hülle mit einer elektrischen Unterbrechung
versehen, und zwar in Form eines Oberlappstoßes 5 mit
einem elektrisch nichtleitenden Material 6 (ggf. ein Klebstoff) zwischen den betreffenden gegeneinanderstoßenden
Verbindungsflächen. Der Überlappstori 5
erstreckt sich am Innenumfang des Kernes 1 über die gesamte Länge der Hülle 3, wobei sein Verlauf
vorzugsweise dem des magnetischen Flusses entspricht, der im von der Hülle umschlossenen Raum entsteht,
wenn die Wicklung 2 von einem Wechselstrom durchflossen wird. Die dargestellte Anordnung des
Überlappstoßes 5 am Innenumfang ist selbstverständlich nicht bindend; seine Anordnung wird sich nach der
Art der Herstellung der Hülle richten. Wesentlich hierbei ist allein, daß der Oberlappstoß einen induktiven
Kurzschluß der Wicklung 2 durch die Hülle 3 verhindert Anstelle des Oberlappstoßes 5 kann auch vorgesehen
sein, daß die Hülle 3 längs der Flußrichtung geschlitzt ist Ein Schlitz als elektrische Unterbrechung hat jedoch
naturgemäß den Nachteil, daß dort ein magnetischer Streufluß austreten kann; dies ist bei der vorbeschriebenen
bzw. dargestellten Ausbildung der Hülle 3 ausgeschlossen.
Durch die Hülle 3 wird bei der Spule erreicht, daß praktisch nur an den freien Polflächen 4 des Kernes 1
ein magnetischer FIuG auftreten kann. Das von einem in der Wicklung 2 fließenden Wechselstrom erzeugte
magnetische Wechselfeld wird also im von der Hülle 3 umschlossenen Raum geführt und tritt nur an definierten
Stellen, nämlich durch Durchtrittsöffnungen 7 der Hülle, in den freien Raum aus. Um ihre Wirkung als
Abschirmung noch zu verstärken, kann man die Hülle auch aus einem Material ausbilden, das neben diier
elektrisch guten Leitfähigkeit zusätzlich ferromagnetische
Eigenschaften aufweist, beispielsweise Eisen. Hierdurch läßt sich nämlich die Induktionswirkung und
folglich der Wirbelstromeffekt verstärken. Was den Kern 1 betrifft, so kann auf diesen auch ganz verzichtet
werden; die Wicklung wird dann auf einem Spulenkörper ggf. aus Kunststoff angeordnet sein,
Eine derartige Spule, bei der im Rahmen der Gestallungsmöglichkeiten der Hülle 3 bzw. des von ihr
umschlossenen Raumes jede beliebige Führung des magnetischen Wechselfeldes realisierbar ist, ist ein
geeignetes Mittel zum berührungslose!! Erfassen des Abslandes eines sich bewegenden Objekts zu einem ggf.
ortsfesten Bezugsobjekt. Dies geht aus den F i g. 2 und 3
hervor, von denen F i g. 2 gegenüber einem Bezugsobjekt in Form einer elektrisch leitfähigen Schiene 8 eine
am nicht dargestellten beweglichen Objekt angeordnete Spule zeigt, welche im Vergleich zu derjenigen gemäß
F i g. 1 prinzipiell den gleichen Aufbau aufweist. Diese Spule hat jedoch einen Kern 9 in Form einer Platte,
wobei die Spulenwicklung aus einer auf der der Schiene
8 zugewandten Räche des Kernes sich ei streckenden
ίο Leiterschleife 10 gebildet wird. Die flache Spulenform
gestattet eine Herstellung in besonders einfacher Weise, etwa nach Art einer gedruckten Schaltung. Schließlich
ist eine Hülle Il der vorbeschriebenen Art vorgesehen,
welche drei Durchtrittsöffnungen 12 und 13 für den magnetischen Fluß aufweist; die Hülle 11 ist aus
Darstellungsgründen nur im Umriß angedeutet
Wie aus Fig.2 weiter ersichtlich, durchsetzt der
magnetische Fluß Φ der Spule im wesentlichen nur den Raum zwischen dieser und der Schiene 8, was durch eine
entsprechend hohe Frequenz des durch die Spulenwicklung (Leiterschleife 10) fließenden Stromes erreicht
wird; es kommt bei.srielsweise eine Frequenz oberhalb
etwa 5OkHz in Betracht Somit ist der für die Induktivität der Spule maßgebliche magnetische Widerstand
des für den magnetischen Ruß Φ verfügbaren Weges proportional der Länge sowie umgekehrt
proportional dem Querschnitt des Raumes zwischen dei Spule und Schiene 8. Um hierbei einen im wesentlicher
linearen funktionalen Zusammenhang zwischen der Induktivität der Spule und ihrem Abstand zur Schiene 8
zu erhalten, ist der jeweilige Abstand zwischen zwei Durchtrittsöffnungen 12 und 13 größer gewählt als der
(dargestellte) größtmögliche Abstand der Spule von der Schiene 8 und ist des weiteren der Querschnitt je
Durchtrittsöffnung mindestens etwa so groß wie der (bei dem dargestellten größtmöglichen Abstand Spule/
Schiene) zwischen der Spule und Schiene 8 für drn magnetischen Fluß Φ verfügbare Querschnitt. Bei dieser
Anordnung und Ausbildung der Durchtrittsöffnungen 12 und 13 wird nämlich der Beirag des magnetischen
Flusses Φ (bei konstantem Spulenstrom) praktisch nur durch den Raum zwischen der Spule und Schiene 8
bestimmt
Die bei der vorbeschriebenen Anordnung gegebene (lineare) funktionale Abhängigkeit der Induktivität der
Spule von ihrem Abstand zur Schiene 8 kann selbstverständlich durch Variation der Geometrie der
Spule bzw. der Durchtrittsöffnungen 12 und 13 in weiten Grenzen geändert werden, beispielsweise durch Abdekkung
von Zonen der Durchtrittsöffnungen 12 und 13 mittels eines elektrisch leitenden, ggf. auch zusätzlich
ferromagnetischen Materials, was eine Begrenzung des Flußdurchtrittes bewirkt. Auch kann eine der beiden
Durchtnttsöffnungen 13 völlig entfallen, woraus weiter folgt, daß im Falle zweier Durchtrittsöffnungen diese
nicht unbedingt symmetrisch zur vertikalen Längsmittelc'öene
der Spule angeordnet zu sein brauchen.
Weiterhin kann die Spule nach F i g. 2 auch eine Wicklung aus mehreren Windungen, ggf. untcrschiedlidien
Durchmessers, aufweisen.
Schließlich zeigt F i g. 3 eine Weiterbildung der Anordnung gemäß Fig= 2, nämlich durch eine zweite
Spule 14 als Referenz für die der Schiene 8 gegenüberstehende Spule 15. Beide Spulen 14 und 15
br) haben im wesentlichen den gleichen (vorbeschriebenen)
Aufbau und sind unter Zwischenfügung einer elektrisch leitenden, u. U. auch ferromagnetischen Abschirmung
16 baulich vereinigt, welche eine Trennung der
magnetischen Flüsse Φ' und Φ der Spulen bewirkt. Der
auf der Rückseite der (MeD-)Spule 15 angeordneten Referenz-JSpiile 14 steht ein im wesentlichen elektrisch
leitfähiger Körper 17 gegenüber, welcher in üblicher Weise justierbar angeordnet sein kann. Die dargestellte
Anordnung gestattet genaue Messungen nicht nur < Abstandes zur Schiene, sondern auch die Ermittlung (
Differenz zwischen einem Soll- und Istwert ( Abstandes.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Induktiver Meßwertgeber in Form einer wecnselstromdurchflossenen Spule zum berührungslosen
Erfassen des Abstandes eines sich bewegenden Objekts zu einem Bezugsobjekt mit elektrisch
leitfähiger Oberfläche, beispielsweise des Abstandes zwischen einer Schienenanordnung und eines an
dieser berührungslos gehaltenen Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mit
einer hinsichtlich der Ausbildung von Wirbelströmen elektrisch gut leitenden, den Außenumfang der
Spule enganliegend umgebenden Hülle (3; 11) versehen ist, bei der durch eine elektrische
Unterbrechung (Oberlappstoß 5) ein induktiver Kurzschluß der Spulenwicklung (2; Leiteischleife 10)
ausgeschlossen ist, und daß die Hülle für den im von ihr umschlossenen Raum verlaufenden magnetischen
Fluß auf der dem Bezugsobjekt (Schiene 8) zugewandten Spulenseite wenigstens zwei Durchtrittsöffnungen
(7; 12, 13) aufweist, deren Abstand größer ist als der größtmögliche Abstand der Spule
vom Bezugsobjekt und deren Querschnitt jeweils mindestens etwa so groß ist wie der größtmögliche
für den magnetischen Fluß (Φ) verfügbare Querschnitt zwischen der Spule und dem Bezugsobjekt
2. Meßwertgeber nach Anspruch 1 mit einem magnetischen Kern, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kern (9) die Form einer Platte hat und die Spulenwicklung aus einer oder mehreren auf der
dem Bezugsobjekt (Schiene 8) zugewandten Fläche des Kernes sich erstreckenden Leiterschleifen (10)
gebildet ist
3. M-sßwerl^ber nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß als Referenz der Spule (15) auf ihrer dem Bezugsobjekt (Schiene 8)
abgewandten Spulenseite in spiegelbildlicher Anordnung eine zweite, im wesentlichen denselben
Aufbau aufweisende Spule (14) vorgesehen ist bei der den Durchtrittsöffnungen der Hülle mit konstantem
Abstand ein Körper (17) mit einer im wesentlichen elektrisch leitfähigen Oberfläche gegenübersteht
4. Meßwertgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (17) gegenüber der
Referenz-Spule (14) justierbar angeordnet ist.
5. Meßwertgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spulen (14, 15) unter
Zwischenfügung einer im wesentlichen elektrisch leitenden Abschirmung (16) baulich vereinigt sind. so
6. Meßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (3, II) zusätzlich
ferromagnetische Eigenschaften aufweist
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DE19742411139 DE2411139C3 (de) | 1974-03-08 | 1974-03-08 | Induktiver Meßwertgeber zum berührungslosen Erfassen des Abstandes zweier Objekte |
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Families Citing this family (2)
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EP0264461B1 (de) * | 1986-10-15 | 1991-01-02 | Thyssen Industrie Ag | Verfahren und Vorrichtung zur sicheren Bestimmung des Abstandes eines magnetischen Sensors von einer leitfähigen Reaktionsschiene |
US4812757A (en) * | 1985-05-04 | 1989-03-14 | Thyssen Industrie Ag | Method and device for accurately determining the distance of a magnetic sensor from a conductive reaction rail |
-
1974
- 1974-03-08 DE DE19742411139 patent/DE2411139C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE2411139B2 (de) | 1978-07-20 |
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