DE2914769A1

DE2914769A1 - Vorrichtung zur beruehrungslosen abstandsmessung

Info

Publication number: DE2914769A1
Application number: DE19792914769
Authority: DE
Inventors: Seigo Ando
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1978-04-11
Filing date: 1979-04-11
Publication date: 1979-10-18
Also published as: GB2019003A; US4267508A; DE2914769C3; FR2422930A1; JPS54134462A; DE2914769B2; GB2019003B; FR2422930B1

Description

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3 - UoZ. 858.9

NIPPON KOKAN KABUSHIKI KAISHA 1-2 Marunouchi - 1 - chome,

Chiyoda-Ku
Tokyo - Japan

VORRICHTUNG ZUR BERÜHRUNGSLObLN ABSTANDSMESSUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Abstands von einem metallischen Körper unter Verwendung der im metallischen Körper induzierten Wirbelströme, wobei die Erfindung insbesondere auf eine Erhöhung des Heßbereichs abzielt.

In der DE-AS 2549627 wird eine Vorrichtung angegeben, bei der ein Bezugssignal mit fester Frequenz und Amplitude an den invertierenden Eingang eines Differentialverstärkers angelegt wird, dessen Ausgang an seinen niehtinvertierenden Eingang über eine positive Rückkoppelungsschaltung geführt ist, und das Rückführungssignal ebenfalls an die Meßspule angelegt wird, wodurch der Abstand von einem gegen-

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-Zader Meßspule angeordneten metallischen Körper aufgrund der Impedanzänderung der Spule gemessen wird. Wenn die Meßspule bei dieser Vorrichtung eine zylindrische Spule ist, wobei der Meßbereich mit der Erhöhung des Innendurchmessers der Spule ansteigt, ist es unmöglich, den Innendurchmesser der Spule zu erhöhen, sobald Begrenzungen bezüglich der Abmessungen der zu messenden Gegenstände, des für die Meßeinrichtung verfügbaren Platzes u.s.w. vorliegen. \venn andererseits eine Zahl von austauschbaren Spulen mit der Meßvorrichtung verwendet wird, ist es vorteilhaft für die Auslegung der Spulenwickeleinrichtung, wenn alle Spulen möglichst die gleiche Größe besitzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abstandsmessung zu schaffen, die einen vergrößerten Meßbereich ergibt, ohne die Abmessungen der Meßspule zu erhöhen. Dabei soll die Meßgenauigkeit nicht durch Tempera türsehwankungen beeinträchtigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Abstandsmeßvorrichtung gelöst, bei der eine Meßschaltung verwendet \srird, die in ihrer Grundauslegung die gleiche ist wie bei der in der DE-AS 2549627 verwendeten Vorrichtung, bei der jedoch die Meßspule die Form einer ζγ-lindrischen Spule mit mehreren stabförmigen magnetischen Teilen von hoher Permeabilität besitzt, die in der Innenbohrung der Meßspule so angeordnet sind, daß sie an der Innenwand der Spule liegen und in Axialrichtung der Spule verlaufen, wobei sich die stabförmigen magnetischen Teile aus solchen mit positiver Temperaturkennlinie und. anderen mit negativer Temperaturkennlinie zusammensetzen, so daß temperaturbedingte Schwankungen der Permeabilität der mag-

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netischen Teile als Gesamtheit betrachtet praktisch auf Null reduziert werden.

Bei der Anordnung einer Zahl von stabförmigen magnetischen Teilen im Inneren der Meßspule läuft ein von der Meßspule infolge eines Bezugssignals erzeugter Magnetfluß durch die magnetischen Teile mit hoher Permeabilität konzentrisch* mit dem Ergebnis, daß die Reichweite des Magnetflusses im Verhältnis zu Fällen, bei denen keine stabförmigen Magnetteile verwendet werden, erhöht wird, wodurch sich auch der Meßbereich erhöht.

Gewöhnlich wird für die stabförmigen magnetischen Teile in Anbetracht der BezugsSignalfrequenz der Meßvorrichtung und der Temperatur der zu messenden metallischen Körper Ferrit-Kernmaterial verwendet, und es ist natürlich möglich, für die stabförmigen magnetischen Teile jedes andere magnetische Material mit hoher Permeabilität zu verwenden.

Die Zahl der stabförmigen magnetischen Teile setzt sich aus solchen zusammen, deren ursprüngliche Permeabilitätskennlinie in Abhängigkeit von der Temperatur positiv ist, und aus anderen, bei denen diese Kennlinie negativ ist, mit dem Ergebnis, daß die Gesamtpermeabilität nicht durch Temperaturänderungen beeinflußt wird und demzufolge die Meßgenauigkeit durch Temperaturänderungen der stabförmigen magnetischen Teile nicht verschlechtert wird.

Die stabförmigen magnetischen Teile sollen vorzugsweise im Inneren der Meßspule in gleichen Abständen in Umfangrichtung der Spule angeordnet werden, wodurch es möglich wird, eine gleichmäßige Verteilung der Flußdichte in Umfangrichtung der Meßspüle sicherzustellen.

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Anh&nd der Figuren v/erden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Ls zeigt:

Fig. 1 einen Schaltplan, aus dem der grundsätzliche Schailtungsaufbau einer Vorrichtung zur Abstandsmessung gemäß der Erfindung hervorgeht;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zylindrische Meßspule ;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendete Meßspule,

Fig. 4 eine typische Meß-Kennlinie, bei der der Abstand D (cm) in der Abszisse und die gemessene Ausgangsspannung V (V) in der Ordinate abgetragen ist;

Fig. 5 eine Unteransicht der Meßspule von Fig. 3> gesehen in Richtung der Linie V-V, und

Fig. 6 eine Unteransicht der Meßspule in einer anderen Ausführungsform der Erfindung in der gleichen Blickrichtung.

In Fig. 1 wird ein Grundsatz-Schaltplan einer Vorrichtung zur Abstandsmessung gemäß der Erfindung dargestellt, wobei der Schaltungsaufbau der gleiche ist wie er in der DE-AS 2549627 vorgeschlagen wurde. Im folgenden wird das Arbeitsprinzip dieser Schaltung beschrieben. Die Bezugszahl 1 bezeichnet einen zu messenden metallischen Körper, 2 einen Vergleichsoszillator zur Erzeugung eines Wechselstrom-Bezugs Signa Is mit fester Frequenz und Amplitude, 3 einen Differentialverstärker, 4 eine Meßspule mit einer Impedanz Z_Q

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und 10 ein Rückkoppelungsglied mit einer Impedanz Z . Der Vergleichsoszillator 2 ist mit dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 3 verbunden, und das Rückkoppelungsglied 10, das den Ausgang des Differentialverstärkers zurückführt, ist zusammen mit einem Ende der Meßspule 4 an den nichtinvertierenden Eingang des Differentialverstärkers 3 angeschlossen, um eine positive Rückkoppelungsschaltung zu bilden. Das andere Ende der Meßspule 4 ist geerdet.

Der Verstärkungsgrad Λ des Verstärkers 3, dessen positive Rückkoppelungsschaltung durch die Impedanz Z des Rückkoppelungsgliedes 10 und die Impedanz Z der Meßspule 4 gebildet wird, ergibt sich durch ügende Gleichung aus dem Verstärkungsgrad G des Verstärkers 3 ohne Rückkoppelung und aus dem Rückkoppelungsfaktor /3= Z /(Z + Z )

A = G/(1 - G β )

Wenn der Vergleichsoszillator 2 ein Ausgangssignal mit fester Frequenz und Amplitude erzeugt und dem Verstärker 3 zuführt, verstärkt der Verstärker 3 die angelegte Spannung und führt sie der Meßspule 4 durch das Rückkoppelungsglied 10 zu. Daraufhin erzeugt die Meßspule 4 ein magnetisches Wechselfeld, so daß der entsprechende Magnetfluß den zu messenden metallischen Körper 1 durchdringt und damit in die Schaltung einbezieht, und seine Rückwirkung verursacht eine Änderung der Impedanz Z der Meßspule 4.

Diese Änderung der Impedanz Z steht in Beziehung zum Abstand zwischen der Meßspule 4 und dem metallischen Körper 1, und demzufolge ändert sich die Ausgangsspannung des Verstärkers 3 entsprechend. Demnach ist es durch Messen dieser

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Ausgangsspannung des Verstärkers möglich, eine berührungslose Messung des Abstands zwischen der Meßspule 4 und dein metallischen Körper 1 durchzuführen.

Fig. 2 zeigt eine Meßanordnung 6 mit einer zylindrischen Spule 4, die der Meßspule 4 in Fig. 1 entspricht, und mit einem zylindrischen Spulenkörper 5, dessen Material ein Eakelitrohr, ein magnetisches Rohr, ein Keramikrohr oder dergleichen ist, worauf die Spule gewickelt wird. Die Bezugszahl 7 bezeichnet das von der Meßspule 4 aufgrund eines Bezugssignals erzeugte magnetische Wechselfeld.

In Fig. 4 zeigt die Kurve (a) das Ergebnis der Abstandsmessung des metallischen Körpers 1 unter Verwendung der Meßanordnung 6 gemäß der in Fig. 1 gezeigten Grundschaltung.

Wenn auch im allgemeinen bei einer Meßspule 4 mit zylindrischer Form der Meßbereich durch eine Vergrößerung de's Innendurchmessers D der Spule erhöht werden kann, gibt es Fälle, in denen der Innendurchmesser D der Spule je nach den Meßbedingungen nicht nach Wunsch vergrößert werden kann.

Fig. 3 zeigt eine Meßanordnung 6 in Verbindung mit einer Ausfuhrungsform der Erfindung. Die Bezugszahl 8 bezeichnet magnetische Teile in Stabform mit hoher Permeabilität, z.B. Ferritkerne, und eine Zahl (4 in der Abbildung) dieser magnetischen Teile ist an der Innenwand eines zylindrischen Spulenkörpers 5 in Axialrichtung der Spule angeordnet. Wenn die in Fig. 3 gezeigte Meßspule 4 mit der in Fig. 1 gezeigten Rückkoppelungsschaltung des Verstärkers 3 verbunden und als Abstandsraeßglied verwendet wird, erzeugt die Meßspule 4 ein Vechselfeld 7. Aufgrund der stabförmigen magnetischen Teile 8 kann sich das Wechselfeld 7 auf

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eine größere Entfernung erstrecken als im Fall der in Fig. gezeigten Spule mit Luftkern. Infolgedessen können selbst dann, wenn der Abstand zwischen der Meßspule 4 und dem metallischen Körper 1 vergrößert wird, νirksame Uirbelströme im metallischen Körper 1 erzeugt und somit der¹ Heßbereich im Verhältnis zur Spule mit Luftkern erhöht werden. In Fig. zeigen die Kurven (b) bzw. (c) die Meßkennlinien, wobei die Zahl der verwendeten stabförmigen magnetischen Teile 8 in einem Fall 1 und im anderen 4 betrug. Vie ersichtlich, wirkt sich der Einsatz der stabförraigen magnetischen Teile B so aus, daß der geradlinige Teil der Meßkennlinie vergrößert und somit der Meßbereich auf das 1,5- bis 2-fache der herkömmlichen Kennlinie von Kurve (a) erhöht wird.

Während jedoch der Meßbereich durch den Einsatz der stabförmigen magnetischen Teile 8, z.B. von Ferritkernen, erhöht werden kann, wird der Meßwert durch die Temperaturkennlinie der stabförmigen magnetischen Teile beeinflußt, wodurch die Meßgenauigkeit verschlechtert wird. Insbesondere ergibt sich ein schwerwiegender Meßfehler unter Umgebungsbedingungen, bei denen die Temperatur der magnetischen Teile starken
Schwankungen unterliegt.

Bis heute haben die Hersteller von magnetischen Werkstoffen verschiedene Forschungsarbeiten durchgeführt, um magnetische Werkstoffe zu finden, deren Permeabilität sich bei Temperaturschwankungen in geringerem Ausmaß ändert, und es ist schwer, die Möglichkeit von Perrneabilitätsänderungen aufgrund von Tempere-, tür Schwankungen allein durch Verbesserung der
Eigenschaften dieser magnetischen Teile vollkommen auszuschalten.

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In Anbetracht der Temperaturkennlinien dieser magnetischen Teile werden erfindungsgemäß, wie in Fig. 5 gezeigt, stabförmige magnetische Teile 8a bis 8d mit Temperaturkennlinien von verschiedener Polarität, d.h. eine Gruppierung von magnetischen Teilen mit positiver Temperaturkennlinie und solchen mit negs'tiver Temp ere. turkennlinie, so an der Innenwand des zylindrischen Epulenkörpers 5 angeordnet, daß sie in gleichen Abständen in Umfengrichtung der Spule liegen.

Bei den stabförmigen magnetischen Teilen öa bis 8d kann z.B. ein Ferritkern mit positiver Temperaturkennlinie für die Teile ca und öc, und ein Ferritkern mit negativer Temperaturkennlinie für die Teile ob und 8d verwendet werden, wobei die letzteren zwischen den ersteren angeordnet sind und damit in ihrer Gesamtheit sämtliche Permeabilitätsänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen ausschalten.

In diesem Fall müssen die stabförmigen magnetischen Teile 8a bis 8d vorzugsweise so gewählt v/erden, daß ihre Temperaturkoeffizienten den gleichen Absolutwert aufweisen und daß die Zahl der Teile mit positiver Temperaturkennlinie vorzugsweise die gleiche ist wie diejenige der Teile mit negativer Temperaturkennlinie.

Auf diese V/eise wird die Meßgenauigkeit selbst dann nicht verschlechtert, wenn sich die Temperatur der Meßspule 4 ändert, wodurch eine stabile Abstandsmessung sichergestellt wird.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform werden zwei Paare von magnetischen Teilen mit positiven bzw. negativen Temperaturkennlinien verwendet, doch bleibt die Erfindung

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nicht auf diese Ausführungsforin beschränkt.

Andererseits können die magnetischen Teile ba bis 8d mit nichtmetallischem Material 9 (Metall oder Isoliermaterial) befestigt v/erden, das zusammen mit den magnetischen Teilen an der Innenwand des zylindrischen Spulenkörpers angebracht oder eingegossen wird, wie in Fig. 6 gezeigt.

Die Querschnittsform der stabförmigen magnetischen Teile 8a bis 3d wird in keiner V/eise eingeschränkt; sie können die Form von runden Stäben, eckigen Stäben und dergleichen aufweisen.

Wie gezeigt vmrde, ergeben sich aus der Erfindung trotz ihres einfachen Aufbaues erhebliche Vorteile.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRUCH!.

' 1 ·/ Vorrichtung zur berührungslose!! Abstandsmessung, bestehend aus einem rückgekoppelten Verstärker mit einer Rückkoppelungsschaltung, die mit einer gegenüber einem zu messenden metallischen Körper eingeordneten ließspule verbunden ist, und aus einem Vergleichsoszillator zum Anlegen eines Bezugssignals mit vorbestimmter Frequenz und Amplitude an den rückgekoppelten Verstärker, wobei aufgrund einer Impedanzänderung dieser Meßspule in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Meßspule und dem metallischen Körper der Verstärkungsfaktor des rückgekoppelten Verstärkers gesteuert wird, um den Abstand zwischen der Meßspule und dem gegenüberliegend angeordneten metallischen Körper als Funktion der Amplitude eines Ausgangssignals des rückgekoppelten Verstärkers zu messen, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule aus einer zylindrischen Spule besteht, in der mehrere stabförmige magnetische Teile mit hoher Permeabilität in einer Innenbohrung der Meßspule so angeordnet sind, daß sie an der Innenwand derselben in Axialrichtung der ließspule liegen, und daß einige der stabförmigen magnetischen Teile eine positive Temperaturkennlinie aufweisen, während, der Rest dieser Magnetischen Teile eine negative Tetnperaturkennlinie besitzt, wodurch die Änderungen der Permeabilität

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Postscheckkonto: Karlsruhe 76979-754 Bankkonto: Deutsche Bank AG Villingen (BLZ 69470039) 146332

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der Gesamtheit der magnetischen Teile in Abhängigkeit von der Temperatur praktisch auf Null reduziert werden.
2. Vorrichtung nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmigen magnetischen Teile mit positiver Te tap era turkennl in ie in gleichen Abständen in Umfangrichtung der Meßspule angeordnet sind, und daß die stabförmigen magnetischen Teile mit negativer Temperaturkennlinie zwischen öcn stabförmigen magnetischen Teilen mit positiver Te rnpera turkennl inie in gleichen Abständen in Umfangrichtung engeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der stabförmigen magnetischen Teile mit positiver Temperaturkennlinie mit einem zugeordneten stabförmigen magnetischen Teil mit negativer Temperaturkennlinie ein Paar bildet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule auf einen zylindrischen Spulenkörper gewickelt ist und daß die stabförmigen magnetischen Teile an einer Innenwand des Spulenkörpers mit nichtmagnetischem Material befestigt sind.

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