DE3910297A1 - Beruehrungslos arbeitendes wegmesssystem - Google Patents
Beruehrungslos arbeitendes wegmesssystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein berührungslos arbeitendes Wegmeßsy
stem mit einem eine Meßseite und eine Anschlußseite aufweisen
den Sensor, einer Versorgungs-/Auswerteelektronik und einem vom
Sensor zu der Versorgungs-/Auswerteelektronik führenden Kabel
mit vorzugsweise zwei Innenleitern, wobei der Sensor ein Sen
sorgehäuse, mindestens eine in dem Sensorgehäuse angeordnete
Spule, von den Innenleitern des Kabels zur Spule bzw. zu den
Spulen führende Anschlußleitungen und ggf. eine die Spule bzw.
die Spulen und die Anschlußleitungen fixierende Einbettmasse
aufweist.
Berührungslos arbeitende Wegmeßsysteme sind seit Jahren aus der
Praxis in verschiedenen Ausführungen bekannt. Sie lassen sich
nach ihrer prinzipiellen Funktionsweise einerseits in Wegmeßsy
steme auf Wirbelstrombasis, induktive und kapazitive Wegmeßsy
steme, andererseits in optische oder akustische Wegmeßsysteme
gliedern.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf berührungslose Weg
meßsysteme mit einem mindestens eine Spule aufweisenden Sensor,
also auf Wegmeßsysteme, die entweder auf Wirbelstrombasis oder
induktiv arbeiten.
Bei nach dem Wirbelstrom-Meßverfahren arbeitenden Wegmeßsyste
men durchfließt ein hochfrequenter Wechselstrom eine üblicher
weise in einem Gehäuse eingegossene Spule, die durch Parallel
schaltung von Kapazitäten einen Schwingkreis bildet. Dabei geht
von der Spule ein elektromagnetisches Spulenfeld aus. Dieses
Spulenfeld induziert in einem leitfähigen Objekt Wirbelströme,
die dem Schwingkreis Energie entziehen. Bei höheren Arbeitsfre
quenzen tritt vor allem die Rückwirkung der induzierten Wirbel
ströme in Erscheinung, die als Gegeninduktion den Realteil der
Spulenimpedanz ändert. Der Einfluß auf den Imaginärteil der
Spulenimpedanz hängt dabei von den magnetischen Eigenschaften
und der Arbeitsfrequenz ab. Nichtmagnetische Meßobjekte verrin
gern bei Annäherung an die Spule die Spuleninduktivität.
Abhängig vom Abstand ändert sich die Schwingkreisamplitude. De
moduliert, linearisiert und ggf. verstärkt liefert die Amplitu
denänderung eine proportional zum Abstand zwischen Sensor und
Meßobjekt stehende Spannung. Zwischen Ausgangssignal - Spannung
- und Abstand zwischen Sensor und Meßobjekt besteht ein
zumindest in einem bestimmten Bereich annähernd linearer
Zusammenhang.
Beim induktiven Meßverfahren ist die im Sensor angeordnete
Spule ebenfalls Teil eines Schwingkreises. Bei Annäherung eines
leitfähigen Meßobjektes ändert sich hauptsächlich der Imaginär
teil der Spulenimpedanz, was zu einer Induktivitätsänderung
führt. Dies gilt vor allem für niedrige Arbeitsfrequenzen, d.h.
für Arbeitsfrequenzen bis mehrere 100 kHz. Magnetische Objekte
vergrößern bei Annäherung an die Spule die Induktivität, nicht
magnetische Objekte verringern sie. Auch hier ist ein demodu
liertes Ausgangssignal proportional zum Abstand zwischen Sensor
und Meßobjekt.
Sowohl beim Wirbelstrommeßverfahren als auch beim induktiven
Meßverfahren wird die Änderung der Impedanz einer in einem Sen
sor angeordneten Meßspule bei Annäherung eines elektrisch
und/oder magnetisch leitfähigen Meßobjektes gemessen. Das Meß
signal entspricht also dem Meßabstand.
Die durch die Abstandsänderung zwischen Sensor und Meßobjekt
hervorgerufene Impedanzänderung ergibt sich einerseits aus ei
ner Änderung der Induktivität der Spule, andererseits aus der
Änderung der Impedanz der Spule. Der Imaginärteil der Spulenim
pedanz wird u.a. durch die Eigenkapazität der Meßspule und da
mit durch die gesamte Ausgestaltung des Sensors vorgegeben. Die
beim Messen aus dem Sensor austretenden elektrischen Feldlinien
sind demnach mitbestimmend für die Eigenkapazität des Sensors.
Nähert sich dem Sensor ein elektrisch leitfähiges Meßobjekt, so
wird dadurch auch das vom Sensor ausgehende elektrische Feld
beeinflußt. Dies ist auch der Fall, wenn sich ein Objekt mit
relativ hoher Dielektrizitätszahl nähert. Folglich verursacht
ein zwischen dem Sensor und dem eigentlichen Meßobjekt befind
licher Werkstoff mit hoher Dielektrizitätszahl eine Änderung
der Eigenkapazität der Meßspule.
Gelangt beispielsweise Wasser (ε r ≈ 80) zwischen Sensor und Meß
objekt, so wird die Eigenkapazität der Meßspule beeinflußt. Ist
das Wasser - oder ein anderer Werkstoff mit hoher Dielektrizi
tätszahl - dauernd vorhanden, so kann der Einfluß des Wassers
auf die Eigenkapazität der Spule bei der Kalibrierung des Meß
systems berücksichtigt werden. Ist jedoch der Raum zwischen
Sensor und Meßobjekt beispielsweise nicht spritzwasserge
schützt, gelangt also Wasser unkontrolliert und nur zeitweise
in die Meßstrecke, so treten Meßfehler bei der Abstandsmessung
auf, die mit dem Abstand zwischen Sensor und Meßobjekt zuneh
men. Dies liegt daran, daß eine Bewegung des Meßobjekts bei
großem Abstand zwischen Sensor und Meßobjekt nur eine geringe
Impedanzänderung der Spule bewirkt.
Bei niedrigen Arbeitsfrequenzen tritt eine nur geringe Änderung
der Eigenkapazität der Spule auf, die bzgl. der zuvor erwähnten
Meßfehler eine untergeordnete Rolle spielt. Der Einfluß auf die
Änderung der Eigenkapazität der Spule und somit auf den in Rede
stehenden Meßfehler wächst jedoch - gleichbleibende Spulenin
duktivität vorausgesetzt - quadratisch mit der Arbeitsfrequenz.
Bei einer Arbeitsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ist der Ein
fluß 100 mal so groß wie bei einer Arbeitsfrequenz in Höhe von
100 kHz.
In der Praxis kann der beispielsweise durch Wasser verursachte
Meßfehler mehr als 10% betragen.
Dieser Meßfehler tritt im übrigen auch bei Objekten auf, die
mit Materialien hoher Dielektrizitätszahl beschichtet sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein berührungs
los arbeitendes Wegmeßsystem zu schaffen, bei dem der Einfluß
von Flüssigkeiten oder Festkörpern mit hoher Dielektrizitäts
zahl auf die Meßwerte weitgehend eliminiert ist.
Das erfindungsgemäße, berührungslos arbeitende Wegmeßsystem
löst die zuvor aufgezeigte Aufgabe dadurch, daß auf der Meß
seite des Sensors eine Abschirmung vorgesehen ist und daß die
Abschirmung einerseits für von der Spule bzw. von den Spulen
ausgehende elektrische Feldlinien zumindest weitgehend undurch
lässig, andererseits für von der Spule bzw. von den Spulen aus
gehende elektromagnetische Feldlinien zumindest weitgehend
durchlässig ist.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß der Einfluß von in der
Meßstrecke befindlichen Flüssigkeiten oder Festkörpern hoher
Dielektrizitätszahl auf die Meßwerte eliminiert werden kann,
wenn die vom Sensor normalerweise ausgehenden elektrischen
Feldlinien nach außen hin abgeschirmt werden, d.h. wenn das
elektrische Feld allseits geschlossen wird. Das zur Abschirmung
des elektrischen Feldes verwendete Material darf dabei das zur
Messung erforderliche elektromagnetische Feld nicht oder nur
geringfügig beeinflussen.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorlie
genden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und wei
terzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1
nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Er
läuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der
Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des
bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der
Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 in schematischer Darstellung das der berührungslosen
Wegmessung zugrundeliegende Meßprinzip,
Fig. 2 in schematischer Darstellung einen typischen Sensor,
der nach dem Meßprinzip aus Fig. 1 arbeitet,
Fig. 3 in schematischer Darstellung, vergrößert und
ausschnittsweise den Sensor aus Fig. 2 und den Verlauf
der vom Sensor ausgehenden elektrischen Feldlinien und
Fig. 4 in schematischer Darstellung einen Sensor mit
Abschirmung nach dem erfindungsgemäßen, berührungslos
arbeitenden Wegmeßsystem.
Fig. 1 zeigt das der berührungslosen Wegmessung sowohl nach dem
Wirbelstrom-Meßverfahren als auch nach dem induktiven Meßver
fahren zugrundeliegende bekannte Meßprinzip. Ein der Einfach
heit halber lediglich durch eine Spule (1) dargestellter Sensor
(2) ist auf seiner Anschlußseite (3) mit seinen Anschlußleitun
gen (4) über Innenleiter (5) eines Kabels (6) mit einer Versor
gungs-/Auswerteelektronik (7) verbunden. Von der Spule (1) bzw.
dem Sensor (2) aus erstreckt sich ein elektromagnetisches Feld
bzw. verlaufen elektromagnetische Feldlinienen (9) zu einem
Meßobjekt (10) und werden dort geschlossen. Im Falle eines
elektrisch leitenden Meßobjektes (10) werden einerseits im Meß
objekt (10) Wirbelströme induziert, erfolgt andererseits eine
Änderung der Induktivität der Spule (1). Bei ferritischen Meß
objekten (10) erfolgt eine Induktivitätsänderung der Spule (1).
In Fig. 2 ist der prinzipielle Aufbau eines bekannten, nach dem
Wirbelstrom-Meßverfahren oder nach dem induktiven Meßverfahren
arbeitenden berührungslosen Sensors (2) dargestellt. Der Sensor
(2) besteht im wesentlichen aus einem Sensorgehäuse (11), der
im Sensorgehäuse (11) angeordneten Spule (1), den von der Spule
(1) zu dem Kabel (6) bzw. zu den Innenleitern (5) des Kabels
(6) führenden Anschlußleitungen (4) und einer Einbettmasse (13)
zur Fixierung der Spule (1) innerhalb des Sensorgehäuses (11).
Das zu der in Fig. 2 nicht gezeigten Versorgungs-/Auswerte
elektronik (7) führende Kabel (6) ist vorzugsweise ge
gen elektrische und elektromagnetische Felder abgeschirmt. Da
bei handelt es sich vorzugsweise um ein Koaxialkabel.
Im Betrieb des in Fig. 2 dargestellten, aus der Praxis bekann
ten Sensors treten sowohl die zur Wegmessung erforderlichen
elektromagnetischen Feldlinien als auch elektrische Feldlinien
in Richtung des Meßobjektes nach außen. Fig. 3 zeigt deutlich
den Einfluß eines zwischen dem Sensor (2) und dem eigentlichen
Meßobjekt (10) - in der Meßstrecke - befindlichen Objektes (14)
mit relativ großer Dielektrizitätszahl ε r. Die daraus resultie
rende Beeinflussung der elektrischen Feldlinien (12) hat eine
Änderung der Eigenkapazität der Spule (1) zur Folge.
Fig. 4 zeigt teilweise den Sensor (2) eines erfindungsgemäßen,
berührungslos arbeitenden Wegmeßsystems. Wie in den Fig. 1 und
2 gezeigt, besteht ein solches Wegmeßsystem im wesentlichen aus
dem eine Meßseite (8) und eine Anschlußseite (3) aufweisenden
Sensor (2), einer Versorgungs-/Auswerteelektronik (7) und dem
vom Sensor (2) zu der Versorgungs-/Auswerteelektronik führenden
Kabel (6) mit zwei Innenleitern (5). Bei der Darstellung in
Fig. 4 ist der Einfachheit halber lediglich die Meßseite (8)
des Sensors (2) gezeigt.
Zu dem Sensor (2) gehören das Sensorgehäuse (11), die im Sen
sorgehäuse (11) angeordnete Spule (1), zwei von den beiden In
nenleitern (5) des Kabels (6) zur Spule (1) führende Anschluß
leitungen (4) und die die Spule (1) und die Anschlußleitungen
(4) fixierende Einbettmasse (13). Innerhalb des Sensorgehäuses
könnte eine weitere Spule - beispielsweise eine Referenzspule
zur Temperaturkompensation - angeordnet sein. Auch eine Anord
nung mehrerer als Meßspulen arbeitender Spulen innerhalb des
Sensorgehäuses wäre möglich.
Bzgl. der Einbettmasse ist darauf hinzuweisen, daß das dazu
verwendete Material in Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen
des Sensors - Einsatz unter hohen Temperaturen, unter starken
Druckschwankungen, in Schadatmosphäre etc. - auszuwählen ist.
Fig. 4 zeigt deutlich, daß auf der Meßseite (8) des Sensors (2)
eine Abschirmung (15) vorgesehen ist. Diese Abschirmung (15)
ist einerseits für von der Spule (1) ausgehende elektrische
Feldlinien (12) weitgehend undurchlässig, andererseits für von
der Spule (1) ausgehende, in Fig. 4 nicht gezeigte elektroma
gnetische Feldlinien weitgehend durchlässig.
Die zuvor erwähnte Abschirmung könnte in einer bevorzugten Aus
führungsform des erfindungsgemäßen, berührungslos arbeitenden
Wegmeßsystems direkt an der Spule angeordnet sein. Dabei wäre
es besonders vorteilhaft, die Abschirmung für die elektrischen
Feldlinien als Spulenummantelung auszuführen. Beispielsweise
könnte die Abschirmung in unter fertigungstechnischen Gesichts
punkten einfacher Weise als die Spule umhüllende Lackschicht
ausgeführt sein. Auch wäre es denkbar, die Abschirmung auf die
Spule aufzudampfen, wodurch besonders dünne Schichten erzeugt
werden könnten. Eine solche Ausgestaltung der Abschirmung hätte
den Vorteil, daß die Abschirmung gemeinsam mit der Spule inner
halb des Sensorgehäuses von der Einbettmasse geschützt wäre.
Nach dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die
Abschirmung (15) als auf der Meßseite (8) des Sensors (2) vor
gesehene Abdeckung (16) ausgeführt. Die Abdeckung (16) schließt
dabei das Sensorgehäuse (11) meßseitig ab und könnte daher
gleichzeitig zum Schutz der Spule (1) oder der Einbettmasse
(13) vor aggressiven Medien, Temperatur oder Drücken dienen.
Die Abdeckung könnte auf unterschiedliche Arten am Sensor befe
stigt sein. Beispielsweise könnte die Abdeckung in konstruktiv
einfacher Weise meßseitig auf das Sensorgehäuse aufgesteckt
sein. Auch eine schraubbare Anbringung der Abdeckung am Sensor
gehäuse wäre denkbar. Voranstehende Anbringungsmöglichkeiten
der Abdeckung wären insoweit vorteilhaft, als die Abdeckung bei
Bedarf, beispielsweise im Falle einer Beschädigung, einfach
austauschbar wäre.
Ebenso wäre es denkbar, die Abdeckung adhäsiv, z.B. durch Kle
ben, mit dem Sensorgehäuse bzw. mit der Einbettmasse des Sen
sors zu verbinden. Die Abdeckung könnte schließlich auch mate
rialschlüssig mit dem Sensorgehäuse verbunden sein. Im Gegen
satz zu der zuvor erörterten abnehmbaren Abdeckung bildet die
fest mit dem Sensorgehäuse verbundene Abdeckung eine wirksame
Abdichtung des Sensorgehäuses, die insbesondere beim Einsatz
des Sensors in Schadatmosphäre von Vorteil ist.
Im folgenden soll nun erörtert werden, welche Werkstoffe für
die Abschirmung der vom Sensor ausgehenden elektrischen Feldli
nien in Frage kommen. Beispielsweise läßt sich eine geeignete
Abschirmung des elektrischen Feldes durch einen elektrisch
leitfähigen Werkstoff erreichen. Damit jedoch nicht auch
gleichzeitig das zur Messung erforderliche elektromagnetische
Feld abgeschirmt wird, muß eine solche Abschirmung dünnschich
tig ausgeführt sein. Die Abschirmung könnte entsprechend auch
aus einem leitfähigen Kunststoff oder aus Graphit bestehen. We
sentlich für eine Abschirmung des vom Sensor ausgehenden elek
trischen Feldes mittels elektrisch leitfähiger Werkstoffe ist
jedenfalls die Tatsache, daß die Abschirmung dünnschichtig aus
gebildet sein muß und daß dabei entsprechend der Eindringtiefe
des elektromagnetischen Feldes dieses nur unerheblich bedämpft
wird.
Ist dagegen die Abschirmung in besonders vorteilhafter Weise
aus Keramik hergestellt, so gibt es nur sehr geringe bzw. gar
keine Dämpfungsprobleme bzgl. des elektromagnetischen Feldes.
Bei einer Abschirmung aus Keramik, wie sie beispielsweise in
Vielschichtkondensatoren Verwendung findet, d.h. bei einer Ab
schirmung mit einer Dielektrizitätszahl ε r<1000, findet prak
tisch keine Bedämpfung des elektromagnetischen Feldes statt,
das elektrische Feld ist dabei jedoch weitgehend abgeschirmt.
Abschließend sei darauf hingewiesen, daß der Kern der vorlie
genden Erfindung - Abschirmung des elektrischen Feldes und
Durchlassen des elektromagnetischen Feldes eines berührungslos
arbeitenden Sensors - bei allen bislang bekannten, nach dem
Wirbelstrommeßverfahren oder nach dem induktiven Meßverfahren
arbeitenden Wegmeßsystemen realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Spule
2 Sensor
3 Anschlußseite
4 Anschlußleitung
5 Innenleiter
6 Kabel
7 Versorgungs-/Auswerteelektronik
8 Meßseite
9 elektromagnetische Feldlinien
10 Meßobjekt
11 Sensorgehäuse
12 elektrische Feldlinien
13 Einbettmasse
14 Objekt
15 Abschirmung
16 Abdeckung
2 Sensor
3 Anschlußseite
4 Anschlußleitung
5 Innenleiter
6 Kabel
7 Versorgungs-/Auswerteelektronik
8 Meßseite
9 elektromagnetische Feldlinien
10 Meßobjekt
11 Sensorgehäuse
12 elektrische Feldlinien
13 Einbettmasse
14 Objekt
15 Abschirmung
16 Abdeckung
Claims (16)
1. Berührungslos arbeitendes Wegmeßsystem mit einem eine Meß
seite (8) und eine Anschlußseite (3) aufweisenden Sensor (2),
einer Versorgungs-/Auswerteelektronik (7) und einem vom Sensor
(2) zu der Versorgungs-/Auswerteelektronik (7) führenden Kabel
(6) mit vorzugsweise zwei Innenleitern (5), wobei der Sensor
(2) ein Sensorgehäuse (11), mindestens eine in dem Sensorge
häuse (11) angeordnete Spule (1), von den Innenleitern (5) des
Kabels (6) zur Spule (1) bzw. zu den Spulen (1) führende An
schlußleitungen (4) und ggf. eine die Spule (1) bzw. die Spulen
(1) und die Anschlußleitungen (4) fixierende Einbettmasse (13)
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf
der Meßseite (8) des Sensors (2) eine Abschirmung (15) vorgese
hen ist und daß die Abschirmung (15) einerseits für von der
Spule (1) bzw. von den Spulen (1) ausgehende elektrische Feld
linien (12) zumindest weitgehend undurchlässig, andererseits
für von der Spule (1) bzw. von den Spulen (1) ausgehende elek
tromagnetische Feldlinien (9) zumindest weitgehend durchlässig
ist.
2. Wegmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung direkt an der Spule bzw. an den Spulen ange
ordnet ist.
3. Wegmeßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung als Spulenummantelung ausgeführt ist.
4. Wegmeßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung als die Spule bzw. die Spulen umhüllende Lack
schicht ausgeführt ist.
5. Wegmeßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung auf die Spule bzw. die Spulen aufgedampft ist.
6. Wegmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung (15) als auf der Meßseite (8) des Sensors (2)
vorgesehene Abdeckung (16) ausgeführt ist.
7. Wegmeßsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abdeckung (16) das Sensorgehäuse (11) meßseitig abschließt.
8. Wegmeßsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Abdeckung meßseitig auf das Sensorgehäuse aufge
steckt ist.
9. Wegmeßsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Abdeckung meßseitig auf das Sensorgehäuse aufge
schraubt ist.
10. Wegmeßsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Abdeckung meßseitig adhäsiv mit dem Sensorgehäuse
bzw. mit der Einbettmasse des Sensors verbunden ist.
11. Wegmeßsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich
net, daß die Abdeckung materialschlüssig mit dem Sensorgehäuse
verbunden ist.
12. Wegmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Abschirmung dünnschichtig ausgeführt ist
und aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff besteht.
13. Wegmeßsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung aus einem leitfähigen Kunststoff besteht.
14. Wegmeßsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung aus Graphit besteht.
15. Wegmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Abschirmung aus Keramik besteht.
16. Wegmeßsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmung eine relative Dielektrizitätszahl ε r<1000 auf
weist.
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