DE3722702A1

DE3722702A1 - Induktiver wegaufnehmer

Info

Publication number: DE3722702A1
Application number: DE19873722702
Authority: DE
Inventors: Erwin Halstrup; Armin Kiefer
Original assignee: Individual
Current assignee: Walcher Messtechnik 7815 Kirchzarten De GmbH
Priority date: 1987-07-09
Filing date: 1987-07-09
Publication date: 1989-01-19

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Wegaufnehmer mit einer einen Spuleninnenraum aufweisenden Spule und einem Tauchkern, der durch eine Eintauchöffnung in eine Eintauchhöhlung der Spule eingreift.

Solche induktiven Wegaufnehmer mit Tauchanker oder Tauchkern sind seit vielen Jahrzehnten bekannt und werden heute in großen Stückzahlen eingesetzt. Bekannte Ausführungen solcher Aufnehmer enthaIten eine Spule, die beidseitig eine Öffnung für einen Tauchkern aufweist. Die Kennlinien solcher Aufnehmer sind hyperbelförmig gekrümmt und enthalten allenfalls einen kurzen, näherungsweise linearen Abschnitt, der üblicherweise bei solchen Wegaufnehmern genutzt wird.

Die Spule solcher Aufnehmer kann mit einem äußeren Mantel aus magnetisch permeablen Material umgeben sein, um den äußeren magnetischen Widerstand zu ver ringern und eine Abschirmung gegen Störfelder zu erreichen.

Bekannt sind auch Aufnehmer, die innen und außen vollständig mit einem Metall, z. B. Edelstahl, ge kapselt sind, um den Aufnehmer insbesondere vor Korrosion, mechanischer Beschädigung, Abrieb und Störfeldern zu schützen. Auch bei diesen Aufnehmern ergibt sich etwa ein hyperbelförmiger Kennlinienver lauf.

Weiterhin sind Wegaufnehmer bekannt, die eine bessere Linearität durch Anordnung von zwei Tauchankerauf nehmern in Differentialanordnung erreichen. Dadurch werden Unlinearitäten beider Aufnehmer weitgehend kompensiert, so daß über einen relativ weiten Bereich eine gemeinsame, lineare Kennlinie entsteht. Solche Wegaufnehmer sind jedoch vergleichsweise aufwendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen induktiven Wegaufnehmer der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der die hohe Empfindlichkeit des Tauchankerprinzips nutzt, im Gegensatz zu bekannten Ausführungen jedoch über einen erweiterten, nutzbaren Weg eine lineare oder definiert gekrümmte Kennlinie besitzt. Außerdem soll dieser Wegaufnehmer einfach im Aufbau sein und mit nur einer Spule auskommen. Auch soll eine einfache und preisgünstige Fertigung möglich sein. Schließlich soll trotz verbesserter Kennlinie eine miniaturisierte Ausführungsform mit sehr kleinem Bauvolumen möglich sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß insbeson dere vorgeschlagen, daß an dem der Eintauchöffnung ent gegengesetzten Ende der Eintauchhöhlung ein Spulenabschluß teil aus einem magnetisch permeablen Material angeordnet ist, welches in axialer Projektion die Querschnittsfläche des Spuleninnneraumes zumindest teilweise überdeckt. Durch dieses Spulenabschlußteil kann die Divergenz des magnetischen Streufeldes zwischen dem Ende des Tauchkernes und dem Spulenende während der Bewegung des Tauchkernes verändert werden, so daß sich dementsprechend auch die Kennlinie ändert. In Versuchen wurde herausgefunden, daß dabei die Kennlinie des induktiven Wegaufnehmers über einen weiten nutzbaren Weg auf einen linearen oder gegebe nenfalls auch auf einen gekrümmten, radizierenden Verlauf eingestellt werden kann. Dies wird in vorteilhafter Weise mit einem zu bisherigen Einzelaufnehmern etwa vergleich baren, einfachen Aufbau erreicht.

Eine Ausführungsform sieht vor, daß der Spulenabschluß teil durch ein etwa plattenförmiges Teil gebildet ist, welches zumindest bereichsweise Abstand zu der der Ein tauchöffnung für den Kern gegenüberliegenden Stirnseite der Spule aufweist. Bereits mit dieser einfachen Aus führungsform ist eine Beeinflussung der Kennlinie des Aufnehmers in weiten Grenzen möglich. Zweckmäßigerweise ist dabei der Abstand des Spulenab schlußteiles zu der Stirnseite der Spule veränderbar. Dadurch läßt sich der Kurvenverlauf einstellen, wobei sich für eine Linearisierung die sonst vorhandene Anfangs krümmung der Kennlinie soweit verringern läßt, bis sich eine lineare Kennlinie einstellt. Darüber hinaus ist durch Vergrößerung des Abstandes für spezielle Anwendungsfälle auch eine Veränderung der Kennlinie über den linearen Ver lauf in entgegengesetzte Krümmungsrichtung möglich.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Spulenabschlußteil einen vorzugsweise zentralen, in die Eintauchhöhlung eingreifenden Ansatz aufweist. Diese Ausführung ist zur Erzielung einer radizierenden Kennlinie vorgesehen.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, daß der Spulen abschlußteil Teil eines die Spule zumindest bereichsweise umgreifenden Mantels ist, vorzugsweise das Bodenteil eines Topfkernes. Durch einen solchen Topfkern kann in an sich bekannter Weise die Spule gegenüber einem äußeren Streu feld abgeschirmt werden. Gleichzeitig ist bei der er findungsgemäßen Ausbildung mit dem Bodenteil als Spulenabschlußteil eine Änderung der Kennlinie des Aufnehmers möglich. Außerdem wird die Impedanzänderung des Aufnehmers vergrößert.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt.

Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Es zeigt zum Teil etwas schematisiert:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines induktiven Wegaufnehmers mit Spulenabschlußteil,

Fig. 2 ein Diagramm mit verschiedenen Wegaufnehmer- Kennlinien,

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform eines Weg aufnehmers in Seitenansicht,

Fig. 4 eine wiederum abgewandelte Ausführungsform eines in Seitenansicht gezeigten Wegaufnehmers,

Fig. 5 ein Diagramm mit einer linearen Kennlinie des in Fig. 3 gezeigten Aufnehmers,

Fig. 6 eine abgewandelte Ausführungsform eines Aufnehmers in Seitenansicht,

Fig. 7 ein Diagramm mit einer radizierenden Kennlinie des in Fig. 6 gezeigten Aufnehmers,

Fig. 8 ein Diagramm mit einer Gesamt-Übertragungskenn linie des radizierenden Aufnehmers mit Meß elektronik und

Fig. 9 eine Ausführungsform eines induktiven Aufnehmers mit geführtem Tauchkern.

Ein induktiver Wegaufnehmer 1 weist eine ringförmige Spule 2 mit einem Spuleninnenraum 3 auf, in dem ein Tauchkern 4 längsverschiebbar (vgl. Doppelpfeil Pf 1) eingreift. In Abhängigkeit von der Lage des Tauchkernes 4 ändert sich die Induktivität der Spule 2. In dem in Fig. 2 gezeigten Diagramm ist die Impedanz der Spule über den Verschiebe weg des Tauchkernes 4 aufgetragen. Durch die mit A be zeichnete Kurve ist der Zusammenhang der Impedanz bei Verschiebung des Tauchankers bei bisherigen Wegaufnehmern dargestellt. Daraus ist erkennbar, daß mit abnehmender Eintauchtiefe des Tauchkernes 4 in den Spuleninnenraum 3 die Impedanz abnimmt.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß an dem der Ein tauchöffnung 5 für den Tauchkern 4 gegenüberliegenden Seite der im Spuleninnenraum 3 befindlichen Eintauch höhlung 6 ein Spulenabschlußteil 7 aus einem magnetisch permeablen Material angeordnet ist. In Versuchen wurde herausgefunden, daß durch die Anordnung dieses Spulen abschlußteiles 7 eine Veränderung der Kennlinie des Weg aufnehmers möglich ist. Insbesondere ist auch eine Ver änderung der sonst hyperbelförmig gekrümmten Kennlinie (A in Fig. 2) zu einer über einen weiten Bereich linear verlaufenden Kennlinie (C) möglich. Die genaue Einstel lung auf einen gewünschten Kurvenverlauf erfolgt dabei durch Veränderung des Abstandes des Spulenabschlußteiles 7 zu der Stirnseite der Spule 2. Dieser variable Abstand ist in Fig. 1 mit a gekennzeichnet. Er bezeichnet insbesondere den Abstand des Mittelteils des Spulenabschlußteiles 7 von der Stirnseite der Spule 2.

Liegt das Spulenabschlußteil 7 praktisch direkt an der unteren Stirnseite der Spule 2 an, so entsteht eine hyperbelähnliche Kennlinie gemäß dem in Fig. 2 mit B be zeichneten Verlauf. Diese Kurve B ist insbesondere durch einen steilen Abfall am strichliniert dargestellten An fang des Weges gekennzeichnet. Wird der Abstand a ver größert, so wird diese Anfangskrümmung geringer, bis sich schließlich eine lineare Kennlinie C einstellt. Bei wei terer Vergrößerung des Abstandes a verläuft die Kenn linie am Anfang flacher, so daß insgesamt eine S-förmige, strichpunktiert gezeichnete Kennlinie D entsteht. Je nach Anwendungsfall kann somit durch das Spulenab schlußteil 7 eine Veränderung bzw. Anpassung der Kenn linie vorgenommen werden, wobei in weiten Grenzen eine Beeinflussung möglich ist.

Aus den in Fig. 2 gezeigten Kennlinien B, C, D ist auch erkennbar, daß im Vergleich zu der Kennlinie A eine größere Gesamtänderung der Impedanz erreicht wird. Die gezeigten Kennlinien (B bis D) ergeben sich bei gleichem magnetischen Material für das Spulenabschlußteil 7 und den Tauchkern 4.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 besteht das Spulenab schlußteil 7 aus einem plattenförmigen Teil, welches in seinem Durchmesser etwas größer als die Spule 2 ist. Je nach Anwendungsfall kann jedoch der Durchmesser des Spulenabschlußteiles 7 auch wesentlich kleiner ausgebil det sein als dargestellt und beispielsweise etwa der Querschnittsfläche der Tauchhöhlung oder der Eintauch öffnung oder auch des Tauchkernes 4 entsprechen. Auch besteht die Möglichkeit, daß anstatt des in Fig. 1 ge zeigten Teiles eine Ringplatte vorgesehen wird.

Erwähnt sei noch, daß die in den Figuren gezeigten induk tiven Wegaufnehmer eine sehr geringe Baugröße aufweisen können, wobei die tatsächliche Größe gegenüber den Dar stellungen nur ein Zehntel betragen kann. Gerade bei solchen kleinen Wegaufnehmern besteht das Problem, daß nur sehr kurze, nutzbare Kennlinienabschnitte bisher zur Verfügung standen.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform eines in duktiven Wegaufnehmers 1, bei dem das SpuIenabschlußteil 7 Teil eines Topfkernes 8 ist. Auch hier ist das Spulen abschlußteil 7 mit Abstand a zu der Stirnseite der Spule 2 angeordnet. Durch die Ausführung in Verbindung mit einem Topfkern 8 wird eine Abschirmung der Spule gegen äußere Störfelder erreicht, so daß die Kennlinie des Aufnehmers nur wenig von einem äußeren Streufeld beeinflußt wird. Außerdem wird die Impedanzänderung des Aufnehmers ver größert. Analoges gilt für die in Fig. 4 gezeigte Aus führungsform, wo der Topfkern 8 noch mit einem die Eintauchöffnung 5 freilassenden Deckel 9 abgeschlossen ist. Mit 16 ist der Spulenkörper bezeichnet.

Mit den in Fig. 3 und 4 gezeigten Aufnehmern läßt sich eine lineare Kennlinie erreichen, wobei dies insbesondere durch ein Spulenabschlußteil 7 mit einem der Spulen stirnseite zugewandten ebenen Seite 17, durch den Abstand a zwischen dieser ebenen Seite und der Spulenstirnseite und schließlich auch gegebenenfalls noch durch einen Tauch kern 4, der ähnliche magnetische Eigenschaften besitzt wie das Spulenabschlußteil 7 bzw. der Topfkern. Eine mit diesen Aufnehmern erzielbare Kennlinie ist in Fig. 5 wiedergegeben. In Versuchen hat sich gezeigt, daß mit solchen induktiven Wegaufnehmern bei einem genutzen Weg s von 2,5 mm eine maximale Linearitätsabweichung von ca. ± 0,2% und bei einem Arbeitsweg s von 3,5 mm ca. ± 0,4% Linearitätsabweichung erreicht werden können.

Durch Ausbildung des Spulenabschlußteiles 7 gemäß Fig. 6 und 9 mit einem zentralen, in die Eintauchhöhlung 6 eingreifenden Ansatz 10 lassen sich induktive Wegauf nehmer 1 mit einer radizierenden Kennlinie realisieren. Hierbei wird durch den Ansatz 10, der bis nahe an die Spule 2 oder sogar etwas in den Spuleninnenraum 3 hinein ragt, eine Konzentrierung des inneren Magnetfeldes er reicht, so daß die Kennlinie des Wegaufnehmers zunächst steil abfällt, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Dies kann noch unterstützt werden, indem das Material des Tauch kernes 4 eine höhere Permeabilität als das Spulenab schlußteil 7 aufweist.

Mit Hilfe des in Fig. 6 gezeigten Wegaufnehmers läßt sich bei einem Arbeitsweg von 2 mm (bezogen auf eine Baugröße des Wegaufnehmers, der einem Zehntel der dargestellten Größe entspricht) eine maximaIe Abweichung von einer idealen radizierenden Kennlinie von etwa ± 0,2% im Bereich von 1 bis 100% des Arbeitsweges erreichen.

Bei einem Arbeitsweg von 3 mm betrug die Abweichung etwa ± 0,8%.

Fig. 8 zeigt eine Gesamtübertragungskennlinie eines radi zierenden Wegaufnehmers mit angeschlossener Meßelektronik. Die Meßelektronik führt dabei eine Invertierung und eine Nullpunktsverschiebung der radizierend abfallenden Auf nehmerkennlinie durch, so daß eine von Null aus radizie rend ansteigende Gesamt-Übertragungskennlinie entsteht. Der besondere Vorteil bei dem erfindungsgemäßen, radi zierenden Wegaufnehmer besteht darin, daß die Radizierung mit einfachen kontruktiven Mitteln direkt am Wegaufnehmer erreicht wird, so daß auf ein aufwendiges, elektronisches Radizierglied im Signalweg verzichtet werden kann. Hier durch sind erhebliche Einsparungen möglich, wobei ins besondere der Aufwand für die elektronische Schaltung um bis zu 50% reduziert werden kann.

In Fig. 9 ist ein Ausführungsbeispiel eines induktiven Wegaufnehmers 1 gezeigt, bei dem das Spulenabschlußteil 7 einen zentralen Durchtritt 11 sowie ein darin befindliches Gleitlager 12 aufweist. Dieses Gleitlager 12 hat eine Führungsbohrung für einen mit dem Tauchkern 4 verbundenen Betätigungsstift 13. Auch auf der anderen Seite des Tauch kernes 4 ist ein Betätigungsstift 13 a an dem Tauchkern 4 angebracht, so daß der Tauchkern 4 wahlweise von der einen oder der anderen Seite betätigt werden kann. Der Durch messer des Betätigungsstiftes 13 und dementsprechend auch der Durchtritt 11 in dem Spulenabschlußteil 7 sind ver gleichsweise klein zum Kerndurchmesser, so daß praktisch keine Veränderung der Kennlinie des Wegaufnehmers auf tritt. Der bzw. die Betätigungsstifte 13, 13 a bestehen vorzugsweise aus nichtmagnetischem Material.

Zur Vermeidung eines die Kennlinie beeinflussenden, mag netischen Rückflusses auf der dem Spulenabschlußteil gegenüberliegenden Seite der Spule 2, kann der Tauchkern 4 eine äußere Fortsetzung 14 aufweisen, so daß sich auch bei Verschiebung des Tauchkernes 4 für den magnetischen Rückflußweg in diesem Bereich keine Änderung ergibt.

Andererseits besteht aber auch die Möglichkeit, durch gezielte Änderung des magnetischen Rückflusses während der Verschiebung des Tauchkernes 4 eine zusätzliche Be einflussung der Aufnehmerkennlinie zu bewirken.

So ergibt sich durch eine Verkürzung des Tauchkernes 4 eine Kennlinienveränderung gemäß der Kennlinie D in Fig. 2.

Weiterhin kann durch eine geeignete Formgebung der äußeren Fortsetzung 14 des Tauchkerns 4 eine zusätzliche Beeinflussung der Kennlinie erreicht werden.

In Fig. 1 ist strichliniert noch eine mit dem Tauchkern 4 verbundene Ringscheibe 15 aus magnetisch leitendem Material angedeutet. Durch diese Scheibe kann der mag netische Rückfluß insbesondere im Bereich der strich liniert gezeigten Auslenkstellung des Tauchkernes 4 verstärkt werden, so daß sich eine Kennlinienveränderung gemäß der Kennlinie B in Fig. 2 einstellt.

Schließlich kann in ansich bekannter Weise auch die Spulengeometrie, beispielsweise durch ungleichmäßige Bewicklung zur zusätzlichen Veränderung der Kennlinie des Aufnehmers mit herangezogen werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Wegaufnehmer 1 besteht auch die Möglichkeit, das Spulenabschlußteil 7 so einzustel len, daß nur durch Auswechseln des Tauchkernes 4 wahl weise eine lineare oder eine radizierende Kennlinie erzeugt werden kann. Dazu können Tauchkerne aus unter schiedlichem Material und/oder unterschiedlicher Form gebung eingesetzt werden.

Wie bereits vorerwähnt, lassen sich durch die erfindungs gemäße Ausbildung des induktiven Wegaufnehmers 1 mit dem Spulenabschlußteil 7 bereits sehr genaue lineare Kennlinien erzeugen. Bedarfsweise können solche Weg aufnehmer mit weitgehend linearer Kennlinie in Differen tialanordnung zusammengeschaltet werden, so daß dann einerseits eine Kompensation der Restunlinearitäten beider Aufnehmer erfolgt und außerdem werden auch Temperaturfehler kompensiert. Darüber hinaus lassen sich auch Aufnehmer mit unterschiedlichen Kennlinien für spezielle Anwendungen zusammenschalten.

Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeich nung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander er findungswesentlich sein.

Claims

1. Induktiver Wegaufnehmer mit einer einen Spuleninnen raum aufweisenden Spule und einem Tauchkern, der durch eine Eintauchöffnung in eine Eintauchhöhlung der Spule eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß an dem der Eintauchöffnung (5) entgegengesetzten Ende der Eintauchhöhlung (6) ein Spulenabschlußteil (7) aus einem magnetisch permeablen Material angeord net ist, welches in axialer Projektion die Quer schnittsfläche des Spuleninnenraumes (3) zumindest teilweise überdeckt.

2. Induktiver Wegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenabschlußteil (7) durch ein etwa plattenförmiges Teil gebildet ist, welches zumindest bereichsweise Abstand (a) zu der der Eintauchöffnung (5) für den Tauchkern (4) gegenüberliegenden Stirnseite der Spule (2) aufweist.

3. Induktiver Wegaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) des Spulenabschlußteiles (7) zu der Stirnseite der Spule (2) veränderbar ist.

4. Induktiver Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenab schlußteil (7) einen vorzugsweise zentralen, gegebe nenfalls in die Eintauchhöhlung (6) ringreifenden Ansatz (10) aufweist.

5. Induktiver Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenab schlußteil (7) Teil eines die Spule (2) zumindest bereichsweise umgreifenden Mantels ist, vorzugsweise das Bodenteil eines Topfkernes.

6. Induktiver Wegaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Topfkern (8) oder dgl. mit einem die Eintauchöffnung (5) freilassenden Deckel (9) abgeschlossen ist.

7. Induktiver Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenab schlußteil (7) aus magnetisch gleichem oder zumindest nahezu gleichem Material besteht wie der Tauchkern (4).

8. lnduktiver Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenab schlußteil (7) und dgl. aus Material mit geringerer Permeabilität besteht als der Tauchkern (4).

9. Induktiver Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Eintauch ende des Tauchkernes (4) in einer Auslenkstellung nahe bei oder an dem Spulenabschlußteil (7) befindet.

10. Induktiver Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkern außerhalb der Eintauchhöhlung (6) eine äußere Fort setzung (14) aufweist, deren Länge vorzugsweise etwa der halben Eintauchtiefe in die Eintauchhöhlung (6) entspricht.

11. Induktiver Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkern (4) mit einer Ringscheibe (15) aus magnetisch lei tendem Material verbunden ist, die der dem Spulen abschlußteil (7) gegenüberliegenden Stirnseite der Spule (2) benachbart ist.

2. Induktiver Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulen abschlußteil (7) einen vorzugsweise zentralen Durchtritt (11) für einen mit dem Tauchkern (4) verbundenen, vorzugsweise aus nichtmagnetischem Materiai bestehenden Betätigungsstift (13) oder dgl. aufweist, und daß in diesem Durchtritt (11) gegebenenfalls ein Gleitlager (12) für den Be tätigungsstift (13) angeordnet ist.