DE3026389C2

DE3026389C2 - Vorrichtung zur Abstandsmessung durch Wirbelströme mit einem rückgekoppelten Verstärker

Info

Publication number: DE3026389C2
Application number: DE19803026389
Authority: DE
Inventors: Seigo Yokohama Kanagawa Ando; Kazuo Tokyo Sano
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1979-07-12
Filing date: 1980-07-11
Publication date: 1984-04-19
Also published as: GB2054867B; JPS5612502A; JPS623881B2; FR2461233B1; FR2461233A1; GB2054867A; DE3026389A1

Description

In der DE-AS P 25 49 627 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein Bezugssignal mit fester Frequenz und Amplitude an den invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers angelegt wird, dessen Ausgang auf seinen nicht-invertierenden Eingang über einen Rückkoppelungskreis geführt ist, und eine Meßspule durch das Rückkoppelungssignal erregt wird, wobei der Abstand von einem gegenüber der Spule angeordneten Metallkörper in Abhängigkeit von der Änderung der Spuleninipedanz gemessen wird. Diese Vorrichtung zur Abstandsmessung ist so ausgelegt, daß der Verstärkungsfaktor eines rückgekoppelten Verstärkers nach erfolgter Rückkoppelung in Abhängigkeit vom Impedanzwert einer Meßspule gesteuert wird, und die Ausgangsspannung des Verstärkers wird gemessen, wodurch sich eine Impedanzänderung der Meßspule in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Metallkörper und der Meßspule als Abstands-Meßwert ergibt.

Bei einer Vorrichtung der genannten Art nach dem Stand der Technik besteht keine Möglichkeit, die Auswirkung von Impedanzschwankungen der Meßspu-Ic aufgrund von Temperaturschwankungen zu korrigieren, und es besteht daher ein Bedarf für eine verbesserte Vorrichtung, bei der die Auswirkung dieser Temperaturschwankungen auf die Ausgangskennlinie der Abstandsmessung zwischen der Meßspule und dem Metallkörper mit hoher Genauigkeit kompensiert wird. Die Änderungsgeschwindigkeit der Meßspulen-Impedanz in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen ändert sich je nach dem für den Spulenkörper verwendeten Material, nach der Spulenform, dem

ίο Wicklungsverfahren usw. Darüber hinaus ergibt sich bei Meßspulen, deren Wicklungskern aus ferromagnetischem Material wie Ferrit besteht, aus einer Änderung der Permeabilität des Ferrits aufgrund der Temperaturschwankungen ein Hysterese-Verhalten, wodurch es noch schwieriger wird, die genannte Temperaturkompensierung für Schwankungen der Ausgangskennlinie einer Meßspule mit einem solchen Ferritkern zu erzielen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abstandsmessung zu schaffen, die eine automatische Kompensierung von Schwankungen der Ausgangskennlinie einer Abstands-Meßspule in Abhängigkeit von der Temperatur ermöglicht, wobei die Ausschaltung einer Phasenänderung im Rückkoppelungskreis eines rückgekoppelten Verstärkers zusätzlich zur Temperaturkompensierung sichergestellt ist, so daß sich eine erhöhte Stabilität und eine vereinfachte Justierung der Vorrichtung ergibt, und bei der sich die Verwendung eines hochstabilen Oszillators wie z. B.

eines Quarzoszillators erübrigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem Oszillator handelt es sich um einen sogenannten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), und die Einheit von Phasenvergleichsschaltung und VCO kann durch einen integrierten Phasenregelkreis (PLL) ersetzt werden. Der rückgekoppelte Verstärker besitz: zwei Eingänge, einen invertierenden und einen nicht-invertierenden Eingang, sowie einen Ausgang, und das Wechselstromsignal vom VCO wird an den invertierenden Eingang gelegt. Ein Rückkoppelungswiderstand ist zwischen den nicht-invertierenden Eingang und den Ausgang geschaltet und bildet eine Rückkoppelungsschleife, und der Schwingkreis ist mit dem nicht-invertierenden Eingang verbunden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden eine Meßspule zur Abstandsmessung und ein Kondensator einen parallelen Resonanzkreis mit der Impedani Zo, der mit einem damit in Reihe liegenden Rückkoppelungswiderstand Rp einen Rückkoppelungskreis des Verstärkers bildet. Der Resonanzkreis wird ständig mit der Resonanzfrequenz erregt, indem die Schwingungsfrequenz des Oszillators in Abhängigkeit von auf Temperaturänderungen beruhenden Änderungen der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises gesteuert wird. Dadurch wird aus den nachfolgend erläuterten Gründen eine sehr genaue Abstandsmessung unabhängig von Temperaturänderungen ermöglicht.

Die Impedanz der Meßspule im Zeitpunkt der Abstandsmessung wird in äquivalenter Weise dargestellt durch die Reihenschaltung des reinen Wicklungswiderstandes ro der Meßspule selbst, der Induktanz Lo der Wicklung sowie des Verlustwiderstandes rc und der Induktanz LE, die durch die Rückwirkung der in dem zu

^h5 messenden Metallgegenstand erzeugten Wirbelströme äquivalent verursacht werden.

Parallel zu dieser Impedanz ist zur Bildung des Resonanzkreises ein Kondensator Co geschaltet. Die

resultierende Impedanz Zo des Parallelschwingkreises wird bei der Resonanzfrequenz fo dieses Kreises maximal und seine Reaktanzkomponente wird Null. Der Wert Zo wird durch die folgende Gleichung (V) wiedergegeben:

Zo = (ro + re) + ω£ (Lo - L_E)⁷l(ro + re) = (ro + re) + (Lo - L_E)/Co (ro + re). (V)

In der obigen Gleichung bedeutet r = ro + re, L = Lo- L_E, ω₀ = 2π fo und fo = 1/2 π Vlco.

Wenn der Rückkopplungswiderstand Rp einen festen Wert besitzt, ändert sich der Rückkopplungsfaktor ßp, der durch die Gleichung ßp = ZoZ(Rp + Zo) wiedergegeben wird, entsprechend der resultierenden Impedanz Zo des Parallelschwingkreises.

Wenn sich jedoch die Temperatur der Abstandsmeßspule erhöht steigt auch der reine Wicklungswiderstand ro entsprechend seinem Temperaturkoeffizienten <x. Wenn in diesem Fall ein Kupferdraht als Wicklung verwendet wird, erhöht sich der Wert * mit 4 · 10~³ je Grad Temperaturänderung. Die Induktanz Lo erhöht sich ebenfalls mit etwa 2 · ΙΟ"³ ~ 2 · 10-" je Grad Temperaturanstieg infolge einer Änderung der Querschnittsfläche (des Durchmessers) der Spule.

Wenn daher die Temperatur der Meßspule steigt, wird ihre Resonanzfrequenz abgesenkt, jedoch bleibt die resultierende Impedanz Zo des Resonanzschwingkreises nahezu konstant, wie aus Gleichung (V) ersichtlich ist. Daher ändert sich die Ausgangsspannung des Rückkopplungsverstärkers nicht.

Wenn andererseits der relative Abstand zwischen der Meßspule und dem Metallgegenstand verkürzt wird, ergeben sich Änderungen in den Wirbelströmen im Metallgegenstand, wodurch der Widerstand re steigt und die Impedanz Le sinkt. Daher wird die resultierende Impedanz Zo des Parallelschwingkreises stark abgesenkt.

Infolgedessen wird der Wert des Rückkopplungsfaktors ßp klein und die Ausgangsspannung des Rückkopplungsverstärkers wird stark verringert, so daß eine Abstandsmessung möglich ist.

Selbst wenn bei der Vorrichtung zur Abstandsmessung gemäß der Erfindung die Induktanz der Meßspule sich mit der Temperatur ändert, so ändert sich die Eigenschwingfrequenz des Schwingkreises aufgrund der Veränderung der Induktanz der Meßspule, und auch die Erregungsfrequenz ändert sich stets in Abhängigkeit von der Eigenschwingfrequen^. Demzufolge wird der Rückkoppelungsfaktor des rückgekoppelten Verstärkers auf einem konstanten Wert gehalten, der durch die zusammengesetzte Impedanz des Schwingkreises bei der Resonanz bestimmt ist, und jegliche Schwankung der Ausgangsspannung aufgrund von Temperaturschwankungen wird ausgeschaltet, so daß es möglich wird, eine automatische Temperaturkompensierung zu erzielen. Da weiterhin aufgrund der Tatsache, daß dem Schwingkreis stets seine Eigenschwingfrequenz zugeführt wird, so daß die komplexe Impedanz des Schwingkreises auf einem Wert gehalten wird, der nur den reellen Teil ohne den imaginären Teil darstellt, tritt keine Phasenänderung im Rückkoppelungskreis ein, woraus sich eine Verbesserung der Betriebsstabilität und eine einfachere und leichtere Justierung ergibt. Da darüber hinaus der verwendete Oszillator ein spannunEseesteuerter Oszillator ist, ist es unnötig, einen hochstabilen Oszillator wie z. B. einen Quarzoszillator zu verwenden. Dieser VCO und die Phasenvergleichsschaltung können durch einen integrierten Phasenregelkreis (PLL) ersetzt werden, um den Schaltungsaufbau zu vereinfachen.

Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es möglich, durch Messen der Ausgangsspannung der Phasenvergleichsschaltung laufend den Änderungsbetrag der Meßspulen-Induktanz zu messen,
ίο DieUS-PS41 60 204 zeigt ein Wirbelstrom-Abstandsmeßgerät mit Meßbrücke, wobei eine Spule und ein Kondensator zur Temperaturkompensation parallel geschaltet sind. Diese Anordnung kann aber mit dem erfindungsgemäßen Schwingkreis nicht verglichen werden. insbesondere ist ein spannungsgesteuerter Oszillator bei der bekannten Anordnung nicht vorgesehen.

Gemäß der US-PS 38 51 242 wird ein Oszillator mit LC-Brücke als Wandler verwendet und eine Annäherung des Metallgegenstandes durch Änderungen in der Schwingungsfrequenz des Oszillators gemessen. Dadurch können aber die oben geschilderten Vorteil des Anmeldungsgegenstandes, die auf der Verwendung eines spannungsgesteuerten Oszillators mit veränderlicher Frequenz beruhen, nicht erzielt werden.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung ist in Anspruch 2 unter Schutz gestellt.

Anhand der Figuren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 3 eine Kurve mit einem Meßwertbeispiel für die lnduktanzänderung AL/L (Ordinate) einer Meßspule in Abhängigkeit von der Temperatur 7"(Abszisse),

Fig.4 eine Kurve mit einem Meßwertbeispiel der Änderung der Ausgangsspannung Δ VV V₀ eines Verstärkers (Ordinate) in Abhängigkeit von der Temperatur T der Meßspule (Abszisse),

F i g. 5 eine Kurve mit einem Meßwertbeispiel der Ausgangsspannung Vb (Ordinate) des Verstärkers der Vorrichtung zur Abstandsmessung gemäß der Erfindung in Abhängigkeit vom zu messenden Abstand D (Abszisse).

In Fig. 1 ist als Beispiel eine Vorrichtung zur Abstandsmessung der eingangs erwähnten Art nach dem Stand der Technik dargestellt.

Darin bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Metallkörper, 2 einen Bezugsoszillator, 3 eine rvießspule, 4 einen ><> Verstärker und Zs eine Rückkoppelungsimpedanz. Der Oszillator 2 liefert ein Wechselstromsignal mit fester Frequenz und fester Amplitude an den Verstärker 4. Der Ausgang des Verstärkers 4 wird an die Meßspule 3 über die Rückkoppelungsimpedanz Zs angelegt, so daß, wenn der von der Meßspule 3 erzeugte Wechsel-Magnetfluß den Metallkörper 1 durchdringt, im Metallkörper ! Wirbelströme induziert werden und die dadurch bedingte Rückwirkung eine Ändorung der Impedanz Z der Meßspule 3 bewirkt, so daß sich der Rückkoppebo lungsfaktor ßp=Z/(Z+ Zs) ändert. Demzufolge ändert sich die Ausgangsspannung Vb des Verstärkers 4 mit den. Abstand zwischen der Meßspule 3 und dem Metallkörper 1. Somit ist es durch Messen der Ausgangsspannung V₀ möglich, den Abstand zwischen der Meßspule 3 und dem Metallkörper 1 berührungsfrei zu messen.

Die in Fi g. 1 gezeigte Vorrichtung zur Abstandsmessung durch Wirbelströme mit einem rückgekoppelten

Verstarker weist folgende Nachteile auf: Vor allem ändert sich die Impedanz der Meßspule mehr oder weniger bei Temperaturschwankungen derselben, und es war bisher unmöglich, die Auswirkungen solcher Temperaturschwankungen auf die Ausgangskennlinie für den Abstand zwischen der Meßspule 3 und dem Metallkörper 1 mit hoher Genauigkeit zu kompensieren. Die Änderung der Impedanz der Meßspule 3 in Abhängigkeit von der Temperatur schwankt je nach Material und Größe des Spulenkörpers, dem Wick- !ungsverfahren usw. der Meßspule 3. So ändert sich z. B. bei einem gegebenen Spulenkörper mit Ferritkern, einem ferromagnetischen Material, die Permeabilität des Ferrits mit der Temperatur, und die Änderungskennlinie weist ein Hysterese-Verhalten bezüglich der is Temperaturänderung auf. Die Verwendung solcher Ferritkerne erschwert die Temperaturkompensierung der Ausgangskennlinien.

Diese Nachteile werden durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgeschaltet, bei der die Schwingungsfrequenz eines Bezugsoszillators in Abhängigkeit von der Induktanz einer Meßspule geändert und anstelle der Rückkoppelungsimpedanz ein Widerstand verwendet wird, d. h. der imaginäre Anteil wird ausgeschaltet, wodurch der Rückkoppelungsfaktor (ßp) unabhängig von Temperaturschwankungen der Meßspule auf einem konstanten Wert gehalten wird.

Anhand von F i g. 2 bis 5 wird nunmehr eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben. In Fig.2 bezeichnet die Bezugszahl 1 jo einen Metallkörper, 3 eine Meßspule und 4 einen Verstärker, und diese Teile gleichen den in bezug auf F i g. 1 beschriebenen. Das Bezugszeichen Rp bezeichnet einen Rückkoppelungswiderstand, Co einen Kondensator eines Parallelschwingkreises, 5 einen span- J5 nungsgesteuerten Oszillator (VCO), dessen Schwingungsfrequenz sich in Abhängigkeit von einer Steuergleichspannung ändert, und 6 eine Phasenvergleichsschaltung. Die in F i g. 2 dargestellte Meßspule 3 und der Kondensator Co bilden einen Parallelschwingkreis, dessen kombinierte Impedanz Zo bei der Eigenschwingfrequenz fo durch die folgende Gleichung (1) gegeben

_ 2 π ■ fo ■ L
Zo = γ

y+Q-Ιπ foL

(D

45

50

worin γ den Widerstand der Meßspule, L die Induktanz der Meßspule und ωο(2πίο) die Kreisfrequenz darstellen.

Wie bekannt, enthält die kombinierte Impedanz Zo des Parallelschwingkreises bei der Eigenschwingfrequenz fo nur einen reellen Anteil. Der Parallelschwingkreis und der Rückkoppelungswiderstand Rp bilden den Rückkoppelungskreis des Verstärkers 4, und an den Verstärker 4 ist die Schwingspannung des Oszillators 5 angelegt, der mit einer Frequenz fm schwingt, die im wesentlichen gleich der Eigenschwingfrequenz fo des Parallelschwingkreises ist Diese Schwingspannung wird zunächst vom Verstärker 4 verstärkt und wird dann an die Phasenvergleichsschaltung 6 angelegt Die Ausgangsspannung des Oszillators 5 wird ebenfalls an die Phasenvergleichsschaltung 6 angelegt so daß der Phasenunterschied zwischen den angelegten Spannungen gemessen wird, und die Phasenvergleichsschaltung 6 erzeugt eine Gleichspannung, die dem Phasenunterschied entspricht. Diese Gleichspannung wird dann dem Oszillator 5 zugeführt, um diesen dergestalt zu steuern, daß die Schwingfrequenz fm des Oszillators 5 gleich der Eigenschwingfrequenz fo des Parallelschwingkreises wird, und die Phase der Ausgangsspannung des Oszillators 5 starr gekoppelt wird.

Falls die Induktanz der Meßspule 3 sich mit ihrer Temperatur ändert, so ändert sich auch die Eigenschwingfrequenz fo, und das Ausmaß der Änderung wird durch folgende Gleichung (2) gegeben

AL/L = (fo/fo'Y - 1

worin

L =

AL =

fo = fo' =

Induktanz der Meßspule
Impedanzänderung der Meßspule mit der Meßspulentemperatur

Eigenschwingfrequenz des Parallelschwingkreises vor der Temperaturänderung
Eigenschwingfrequenz des Parallelschwingkreises nach der Temperaturänderung.

Somit wird die kombinierte Impedanz Zo des Parallelschwingkreises automatisch gesteuert, so daß selbst dann, wenn der Wert der Induktanz L der Meßspule 3 zunimmt, die Eigenschwingfrequenz fo abnimmt und somit die kombinierte Impedanz Zo konstant gehalten wird. Wenn die kombinierte Impedanz Zo konstant gehalten wird, wird auch der Rückkoppelungsfaktor

ßp = (ZoZ(Rp + Zo)

konstant gehalten, und die Ausgangsspannung V₀ des Verstärkers 4 bleibt ebenfalls konstant.

Fig.3 zeigt Meßergebnisse der Änderung der Induktanz L der Meßspule 3 in Abhängigkeit von der Temperatur. F i g. 4 zeigt Messungen der Änderung der Ausgangsspannung des Verstärkers 4 in Abhängigkeit von der Temperaturänderung der Meßspule 3. Die gestrichelte Linie zeigt die Änderungen der Ausgangsspannung beim Schaltungsaufbau von F i g. 1, und die ausgezogene Linie zeigt die Änderungen der Ausgangsspannung beim Schaltungsaufbau von Fig.2. Fig.5 zeigt Messungen, die sich mit der Vorrichtung zur Abstandsmessung von F i g. 2 ergeben.

Durch die oben beschriebene Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:

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a) Da der Kondensator Co mit der Meßspule 3 zu einem Parallelschwingkreis geschaltet ist dessen Eigenschwingfrequenz sich mit der Änderung der Induktanz der Meßspule auch dann ändert, wenn die Induktanz der Meßspule aufgrund von Temperaturschwankungen sich ändert wird der Rückkoppelungsfaktor konstant gehalten, so daß es möglich wird, die Auswirkungen von Temperaturschwankungen automatisch zu kompensieren.

b) Da die Schwingfrequenz des Oszillators 5 gleich der Eigenschwingfrequenz des Schwingkreises ist und die kombinierte Impedanz des Schwingkreises nur den reellen Teil enthält wird die Stabilität der Vorrichtung zur Abstandsmessung verbessert und auch ihre Justierung vereinfacht

c) Der verwendete Oszillator braucht kein hochstabi-

ler Oszillator zu sein, der Steuerquarze oder dergleichen enthält.

d) Die in Fig.2 mit einer gestrichelten Linie A eingefaßten Schaltungsteile können durch einen integrierten Phasenregelkreis ersetzt werden, wodurch sich eine weitere Vereinfachung des Schal-

tuiigsaufbaus ergibt.

e) Durch Messen der Ausgangsspannung der Phasenvergleichsschaltung 6 ist es möglich, den Änderungsbetrag der Induktanz der Meßspule 3 laufend zu messen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Abstandsmessung mit einem rückgekoppelten Verstärker, dessen Rückkopplungskreis mit einer gegenüber einem zu messenden Metallgegenstand angeordneten Meßspule verbunden ist, und mit einem Oszillator, der ein Wechselstromsignal für die Erregung der Meßspule an den Verstärker legt, wobei der Verstärkungsfaktor des rückgekoppelten Verstärkers n?ich erfolgter Rückkopplung in Abhängigkeit von der Impedanz der Meßspule gesteuert wird, die den Schwankungen zwischen dem Metallkörper und der Meßspule folgt, so daß der Abstand zwischen der Meßspule und dem Metallkörper in Abhängigkeit von der Amplitude des Verstärkerausgangssignals gemessen wird, d a flurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator parallel mit der Meßspule zu einem Schwingkreis geschaltet ist, daß der Schwingkreis als Steuerorgan für den Verstärkungsfaktor des Verstärkers nach erfolgter Rückkopplung in den Rückkopplungskreis des rückgekoppelten Verstärkers geschaltet ist, daß der Oszillator ein spannungsgesteuerter Oszillator mit veränderlicher Frequenz ist, der stets mit der gleichen Eigenfrequenz schwingt wie der Schwingkreis, und daß eine Phasenvergleichsschaltung vorgesehen ist, an deren Ausgang eine Spannung verfügbar ist, die dem Phasenunterschied zwischen dem Ausgang des Oszillators und dem Ausgang des rückgekoppelten Verstärkers entspricht und durch die die Schwingungsfrequenz des Oszillators steuerbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rückgekoppelte Verstärker Klemmen für einen invertierenden Eingang, einen nicht-invertierenden Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei ein Ausgang des Oszillators an den invertierenden Eingang und der Schwingkreis an den nicht-invertierenden Eingang angeschlossen und ein Rückkoppelungswiderstand zwischen den nichtinvertierenden Eingang und den Ausgang geschaltet ist.