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Vorrichtung zur Auswertung der Impedanzänderungen einer
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Sensorspule Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auswertung
der Impedanzänderungen einer Sensorspule, die einem Meßobjekt mit variablem Abstand
gegenübersteht, mit einem Generator zur Erzeugung einer sinus-, dreieck- oder rechteckförmigen
Betriebsspannung für die Sensorspule und mit einem Meßgerät zur Erfassung-der über
der Sensorspule entstehenden Teilspannung.
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Es ist bereits (in R. 5872) vorgeschlagen worden, unter Verwendung
des Wirbelstrom-Meßverfahrens im Abstand gegenüber dem aus Metall bestehenden Meßobjekt
die Sensorspule derart auszubilden, daß sie spiralförmig in einer zum Meßobjekt
parallel verlaufenden Ebene sich erstreckt. Nach diesem Vorschlag soll die Sensorspule
an einem Generator betrieben werden, der eine sinusfömrige oder rechteckförmige
Ausgangsspannung oder einen dreieckförmigen oder rechteckförmigen Ausgangsstrom
liefert. Aufgrund ihrer Arbeitsweise erzeugt diese Auswertevorrichtung auch dann
eine Spannung,
wenn im Extremfall der Abstand zwischen der Sensorspule
und dem Meßobjekt Null ist. Oftmals wird jedoch gefordert, daß bei einem festgelegten
Grundabstand von beispielsweise 0,5 mm bei einer Wegmessung eine Meßspannung von
OV angezeigt wird.
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Wenn sich der Abstand vergrößerte soll ein positiver Spannungswert,
wenn sich dieser Abstand verkleinert, jedoch ein negativer Spannungswert angezeigt
werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Auswertevorrichtung der eingangs
beschriebenen Art erfindungsgemäß eine Brückenanordnung vorgesehen, welche die im
kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale aufweist. Der besondere
Vorteil besteht darin, daß ohne weiteres eine Nullpunkt-Einstellung vorgenommen
werden kann und am Ausgang der Auswertevorrichtung ein Spannungssignal erzeugt wird,
das sowohl den Betrag als auch die Richtung der gemessenen Abstandswerte anzeigt.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die
in der Zeichnung dargestellt sind, näher beschrieben und erläutert.
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In Figur 1 ist das elektrische Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles
dargestellt, welches im wesentlichen aus zwei nahezu gleichwertigen Schaltungshälften
H1 und H2 zusammengesetzt ist, welche in Figur 1 jeweils mit strichpunktierten Linien
umrahmt sind.
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Die dargestellte Auswertevorrichtung enthält im einzelnen einen Generator
G, der eine hochfrequente Wechselspannung liefert (z.B. 20 KHz - 10 MHz), deren
zeitlicher Verlauf sinus-, rechteck- oder dreieckförmig ausgebildet sein kann.
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Der Generator G ist mit seinen Ausgangsklemmen an den Verbindungspunkt
M zwischen der bei 2 angedeuteten Induktionsspule eines Wirbelstrom-Sensors und
einem bei 12 angedeuteten, veränderbaren Kompensationswiderstand angeschlossen.
Die andere
Klemme des Generators, dessen Innenwiderstand bei Ri
angedeutet ist, liegt über einen ersten Brückenwiderstand 1 an dem bei F angedeuteten
ersten Eckpunkt der aus der Geberspule 2 und den Widerstand 12 gebildeten ersten
Brückendiagonale, deren zweiter Eckpunkt K über einen zweiten Brückenwiderstand
11 mit dem Generator G verbunden ist.
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Der erste Eckpunkt F ist über einen Gleichrichter 3 mit einem Speicherkondensator
4 verbunden, an welchen im Verbindungspunkt D ein Entladewiderstand 5 angeschlossen
ist, der ebenso wie der Kondensator 4 mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt M verbunden
ist. An den Entladewiderstand 5 schließt sich im Punkt D ein aus einem Widerstand
6a und einem Kondensator 6b gebildetes Tiefpaßfilter an, durch welches die bei der
Gleichrichtung der an der Spule 2 entstehenden Meß-Spannung erzeugten Oberwellen
ausgesiebt werden.
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In spiegelbildlicher Weise ist an den Kompensationswiderstand 12 im
Eckpunkt K ein zweiter Gleichrichter 13 angeschlossen, der zum Verbindungspunkt
E eines Speicherkondensators 14 und eines Entladewiderstandes 15 führt. Dort schließt
sich ein zweites Tiefpaßfilter an, welches aus dem Längswiderstand 16a und dem Querkondensator
16b besteht. Die an den Querkondensatoren 6b und 16b entstehende, praktisch oberwellenfreie
Gleichspannung kann mit Hilfe des Kompensationswiderstandes 12 so eingestellt werden,
daß das an diese Querkondensatoren angeschlossene Anzeigeinstument Z den Ausschlag
0 zeigt, wenn sich die Sensorspule in dem gewählten Sollabstand befindet, von welchem
aus bei der Bewegung des Meßobjektes der Abstand sich verringert oder vergrößert.
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Vor der Messung muß die Einstellung des Kompensationswiderstandes
12 solange verändert werden, bis an ihm eine Spannung abfällt, die dem Betrage nach
gleichgroß ist wie diejenige,
die an der Sensorspule 2 abfällt,
wenn diese den gewünschten Soll-Abstand zum nichtdargestellten Meßobjekt aufweist.
Dies hat dann zur Folge, daß die zwischen den Punkten AC und BC liegenden Spannungen
gleichgroß sind, derart, daß dann der Nullabgleich erreicht ist.
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Wenn sich der Abstand zwischen der Sensorspule 2 und dem Meßobjekt
vergrößert, erhöht sich der Spannungsabfall an der Sensorspule 2. Dadurch vergrößert
sich die zwischen den Punkten A und C liegende Spannung, so daß sich zwischen A
und B eine durch einen Pfeil angedeutete positive Spannung U ausbildet. In analoger
Weise entsteht ein negativer Wert U als Meßsignal, wenn sich das Meßobjekt der Sensorspule
über den Soll-Abstand hinaus nähert, weil sich dann die am Geber 2 anliegende Spannung
verkleinert.
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Der aus den Bauelementen 9 und 10 bestehende Tiefpaß hat die Aufgabe,
eine eventuell vorhandene Restwelligkeit des Meßsignals zu glätten. Dabei besteht
die Möglichkeit, die Meßspannung mit Hilfe einer nicht dargestellten Verstärkungsstufe
zu verstärken, welche zwischen den Punkten D und E angeschlossen wird und eine eingebaute
Tiefpaß-Stufe enthält.
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Neben der Möglichkeit, den Null-Abgleich an jedem gewünschten Punkt
des Meßbereichs vornehmen zu können, weist die oben beschriebene Schaltung den weiteren
Vorteil eines einfachen Schaltungsaufbaues, der möglichen Verwendung einer sinus-,
dreieck- oder rechteckformigen Trägerspannung sowie einer leicht veränderbaren Meßfrequenz
auf.
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Ein weiterer besonderer Vorteil besteht darin, daß die beschriebene
Meßbrücke keine phasenkritische Gleichrichtung erfordert. Vielmehr wird ein Meßsignal
gewonnen, das außer dem Betrag auch die Richtung der Abweichung vom Soll-Abstand
angibt.
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In Figur 2 ist eine Anordnung mit zwei Sensorspulen 2 und 22 dargestellt,
welche z. B. die radiale Bewegungen einer Welle 21 erfassen, indem sie während des
Meßvorganges ihre Scheinwiderstände gegensinnig verändern.
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Im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist das Potentiometer durch den
zweiten Geber 22 ersetzt. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß etwaige Meßfehler,
die auf Temperaturschwankungen zurückzuführen sind, eleminiert werden. Der Null-Abgleich
kann beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 durch Verändern eines der Vorwiderstände
1 oder 11 erfolgen. Wenn vier Sensoren zu einer Vollbrücke zusammengefaßt werden,
können zusätzlich anstelle der Vorwiderstände 1 und 11 nicht dargestellte Sensorspulen
vorgesehen werden. Dabei besteht die Möglichkeit einen Null-Abgleich dadurch durchzuführen,
daß parallel zu einem der mehreren Geber ein veränderbarer Abgleichwiderstand vorgesehen
wird.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, daß die
Sensorspulen zu Wirbelstromgebern gehören, die in dem zu überwachenden Meßobjekt
Wirbelströme ergeben, welche umso größer sind, je geringer der Abstand zum Meßobjekt
ist.
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Anstelle von solchen Wirbelstromgebern kann man auch induktive Sensoren
verwenden, deren Impedanz sich in Abhängigkeit von dem zu erfassenden Abstand zwischen
dem Geber und dem Meßobjekt ändert.