DE3534460A1

DE3534460A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE3534460A1
Application number: DE19853534460
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 7016 Gerlingen Dobler; Hansjörg Dipl.-Ing. Hachtel (FH), 7251 Weissach; Karl Ing.(grad.) 7022 Leinfelden Roll
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1985-05-24
Filing date: 1985-09-27
Publication date: 1986-11-27
Also published as: WO1986007145A1; ES8704261A1; ES555295A0; EP0222798A1

Description

Sensoranordnung
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Anordnung besteht der Sensor aus einem Meßrohr sowie einer Spule, die einlagig und gleichmäßig auf einen Kern gewickelt ist und in eine Spannungsteiler- oder Brückenschaltung geschaltet ist. Dabei ergibt sich eine S-förmige Eichkurve. Deren Abflachungen am Anfang und am Ende verfälschen aber das Meßergebnis. Es ist bekannt, mit Hilfe von Verstärkern, deren Verstärkungsfaktor sich abhängig von der Eingangsspannungshöhe ändert, den Verlauf der Eichkurve zu linearisieren.
Dies hat jedoch den Nachteil, daß jedem einzelnen Sensortyp eine speziell dafür angepaßte Elektronikeinheit zuzuordnen ist. Ferner ist der Verstärkungsfaktor bei so konzipierten Elektronikeinheiten wegen der dazu notwendigen Beschaltung mit nicht linearen Widerständen relativ stark von der Höhe der Umgebungstemperatur abhängig.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Eichkurve über den gesamten Meßbereich nahezu linear verläuft. Es besteht somit stets ein proportionales Verhältnis zwischen Meßsignaländerung (6 UM ) und Eintauchtiefenänderung (aS) der Spule in das Meßrohr. Dies ist mit Hilfe einfacher baulicher Maßnahmen möglich. Ferner kann auch bei einem konstanten Verstärkungsfaktor über den nahezu gesamten Meßbereich, d.h. über die gesamte Spulenlänge, eine hinreichend genaue proportionale Meßspannung (UM) am Ausgang der Auswerteschaltung erzeugt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine schaltungsgemäße Darstellung des Ausführungsbeispiels, Figur 2 einen Schnitt durch eine Sensoranordnung in vereinfachter Darstellung, Figur 3 eine nicht lineare Eichkurve nach dem Stand der Technik und die Figuren 4, 5 und 6 je eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Figur 2.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels In Figur 1 ist eine Auswerteschaltung dargestellt, in der ein Wechselstromgenerator 10 eine Meßspule 11 mit einem hochfrequenten Wechselstrom speist. Die Meßspule 11 ist mit dem Vorwiderstand 13 zu einem Spannungsteiler 14 verschaltet. Parallel zur Meßspule 11 ist ein Widerstand 12 geschaltet. In Reihe zum Vorwiderstand 13 liegt eine Diode 15. Ferner ist parallel zum Widerstand 12 ein Kondensator J6 geschaltet. Ein aus einem Widerstand 17 und einem Kondensator 18 bestehender Tiefpaß 19 ist zur Glättung der Meßwerte mit dem Abgriff des Spannungsteilers 14 verbunden. Ferner ist in Reihe zum Tiefpaß 19 eine herkömmlich bekannte Verstärkerschaltung 20 geschaltet, die zwei Widerstände 21, 22 und einen Operationsverstärker 23 aufweist.
In Figur 2 ist ein metallischer Meßkern 26 dargestellt, der in einem Meßrohr 27 beweglich ist. Das Meßrohr 27 besteht aus einem, aus nicht elektrisch leitfähigem Stoff bestehendem rohrförmigen Trägerelement 28, 28a und einem außenliegenden Rohrkörper 29. Auf dem Trägerelement 28 ist die Meßspule 11 einlagig gewickelt. Die Innenwand des Rohrkörpers 29 hat einen mittleren zylindrischen Bereich 29b und anschließend zwei sich konisch erweiternde Endbereiche 29a, 29c. Der Endbereich 29a ist länger als der Endbereich 29c.
Somit ergeben sich unterschiedliche radiale Abstände Y zwischen Meßspule 11 und der Innenwand des Rohrkörpers 29. Die Meßspule 11 und der Rohrkörper 29 sind ortsfest zueinander angeordnet.
Soll eine Position eingestellt oder eine Längenänderung bestimmt werden, so taucht der Meßkern 26 in das Meßrohr 27 und somit in die Meßspule 11 ein, d.h. die Meßspule 11 und der Meßkern 26 werden relativ zueinander bewegt. Dabei verändert sich wegen des Wirbelstromeffektes der Wechselstromwiderstand der Meßspule 11. Auf der der Meßspule 11 zugewandten, elektrisch gut leitfähigen Oberfläche der Innenwand des Rohrkörpers 29 bilden sich Wirbelströme, die den Wechselstromwiderstand der Meßspule 11 und damit die anliegende Spannung verändern, d.h. die Meßspule 11 wird gedämpft. Diese Wirbelstromausbildung ist - ein homogenes Magnetfeld der Meßspule vorausgesetzt - abhängig von der Große des Luftspalts, d.h. von der Größe des Abstandes Y. Je größer dieser Abstand Y ist, desto schwächer ist die Wirbelstromausbildung, und die Meßspule wird schwächer gedämpft.
Bei Verwendung einer gleichmäßig gewickelten Meßspule 11 ergibt sich - ohne Bedämpfung der Spule durch den Rohrkörper 29 - die in Figur 3 dargestellte S-förmige Eichkurve 30, die den Verlauf der anliegenden Meßspannung UM über die Eintauchtiefe S des Meßkerns in der Meßspule aufzeigt. Die Abflachungen am Anfang und am Ende der Eichkurve 30 sind durch den Linearitätsfehler der Spannungsteiler- 14 bzw. Brückenschaltung und durch das inhomogene Magnetfeld der Meßspule bedingt. Dieses inhomogene Magnetfeld der Meßspule ist auf die geringere Ausbildung des magnetischen Feldes an den beiden Enden der Meßspule zurückzuführen. Im mittleren Bereich der Meßspule wirken zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes die Windungen der linken und der rechten Spulenhälfte zusammen, während hingegen am Ende der Meßspule entweder die links oder rechts davon liegenden Wicklungen fehlen. Diese Abweichungen von der Homogenität sind dabei umso größer, je näher man zu den beiden Spulenenden kommt. Wird nun in den beiden Endbereichen der Meßspule der Luftspalt zum Meßrohr 27 gegenüber dem mittleren Bereich vergrößert, so wird die Wirbelstromausbildung in den Endbereichen verringert, so daß die Meßspule in den Endbereichen durch den Rohrkörper 29 weniger gedämpft wird. Es wird also die Meßspule 11 in den Endbereichen 29a, 29c mit dem geringen magnetischen Feld weniger gedämpft als im mittleren Bereich 29b mit dem hohen magnetischen Feld. Das magnetische Feld der Meßspule 11 kann dadurch soweit beeinflußt werden, daß sowohl die Linearitätsfehler der Spannungsteiler- 14 bzw. der Brückenschaltung, als auch die durch das üblicherweise inhomogene Magnetfeld bedingten Meßfehler der Spule 11 ausgeglichen werden.
In Figur 4 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Figur 2 dargestellt. Die Meßspule 11 ist auf eine aus nicht elektrisch leitendem Stoff hergestellte Hülse 35 gewickelt, die in einem metallischen Meßrohr 36 beweglich ist. Das Meßrohr 36 hat über seine ganze Länge einen einheitlichen Innendurchmesser. Die Hülse 35 weist einen mittleren Bereich 35b mit gleicher Wandstärke auf und zwei sich konisch zu den Enden der Hülse 35 hin verstärkende Endbereiche 35a, 35c, so daß die Öffnungen der Hülse 35 verkleinert werden. Der Endbereich 35c, der zuerst in das Meßrohr 36 eingeführt wird, ist kürzer als der andere Endbereich 35a ausgebildet und hat am Ende der Hülse 35 einen größeren Durchmesser. Die Hülse 35 ist auf einem metallischen Kern 37 angeordnet, der die gleiche Funktion hat wie der Rohrkörper 29 in Figur 2.
Taucht die Meßspule 11 mit der zu ihr ortsfest angeordneten Hülse 35 und dem Kern 37 in das Meßrohr 36 ein, so erzeugt die Meßspule 11 auf der Oberfläche des Kerns 37 Wirbelströme, die den Wechselstromwiderstand der Meßspule 11 verändern. Da im Bereich 35a, 35c diese Oberfläche des Kerns 37 weiter von der Meßspule 11 entfernt ist, ist die Wirbelstromausbildung in diesen Bereichen auch geringer als im Bereich 35b. Wie bereits oben beschrieben, wird dadurch die Meßspule 11 unterschiedlich gedämpft, so daß am Ausgang der Auswerteschaltung eine lineare Eichkurve entsteht.
In Figur 5 ist eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels dargestellt. Die Meßspule 11 ist auf einen vorzugsweise aus nicht elektrisch leitfähigem Stoff hergestellten Kern 40 vorzugsweise einlagig aufgewickelt, der in einem metallichen Meßrohr 41 beweglich ist. Daß Meßrohr 41 selbst hat über seine ganze Länge einen einheitlichen Innendurchmesser. In beiden Öffnungen des Meßrohrs ki ist je eine Hülse 42 bzw. 43 aus metallischem Werkstoff an der Innenwand des MeßrohrsW1 angeordnet. Beide Hülsen 42, 43 sind konisch ausgebildet und verjüngen sich jeweils zur Öffnung des Meßrohrs 41 hin. Dadurch ist jeweils der Öffnungsdurchmesser des Meßrohrs kleiner als sein Innendurchmesser im Bereich 41a zwischen den beiden Hülsen 42, 43. Die Hülse 42 kann dabei kürzer ausgebildet sein als die Hülse 43. Beide Hülsen 42, 43 haben aber etwa gleichen Öffnungsdurchmesser.
Auch beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 beruht die in Figur 3 dargestellte S-förmige Kennlinie auf der Änderung des Wechselstromwiderstandes der Meßspule durch den bekannten Wirbelstromeffekt. Die Ausbildung der Wirbelströme auf der metallischen Innenseite des Meßrohrs 41 ist durch die Hülsen 42, 43 so zu verändern, daß die Eichkurve in Figur 3 nahezu linear verläuft. Taucht nun der Meßkern 40 mit der Meßspule 11 in das Meßrohr 41 ein, so wird aufgrund der Hülse 42 der Abstand Y zwischen der Meßspule 11 und der Innenseite des Meßrohrs 41 immer größer, je tiefer der Meßkern 40 in das Meßrohr ki eindringt. Entsprechend dieser Änderung des Abstands Y werden, bezogen auf die Wirbelstromausbildung im Meßrohr 41 bei konstantem Innendurchmesser, mehr Wirbelströme erzeugt. Dadurch wird abhängig von der jeweiligen Eintauchtiefe des Meßkerns 40 die Meßspule ii unterschiedlich bedämpft und somit deren Eichkurve linearisiert. Befindet sich der Meßkern 40 im Bereich la des Meßrohrs 41 mit konstantem Innendurchmesser, d.h. ohne zusätzliche Hülse 42, 43, so wird ebenfalls eine lineare Eichkurve erzeugt.
Gelangt nun der Meßkern 40 in den Bereich der Hülse 43 so ist zur Linearisierung der Eichkurve wieder eine Änderung des Wirbelstromeffektes notwendig. Durch die Verringerung des Abstandes Y zwischen der Wicklungsoberfläche der Meßspule 11 und der Innenseite der Hülse 43 und somit des Meßrohrs 41 werden mehr Wirbelströme erzeugt als im Bereich mit dem konstanten Innendurchmesser d. Dadurch wird ein größerer Spannungsabfall an der Meßspule 11 bewirkt, der somit eine lineare Meßkurve ermöglicht.
Figur 6 zeigt eine Umkehrung des Ausführungsbeispiels nach Figur 5. Auf einen aus vorzugsweise nicht elektrisch leitfähigem Stoff hergestellten (z.B. PVC, Plexiglas) Rohrkörper 45 ist die Meßspule 11 aufgewickelt. Auf dem metallischen Meßkern 46 ist an beiden Enden je eine metallische Hülse 47 bzw. 48 angeordnet. Beide Hülsen 47, 48 sind zu den jeweiligen Enden des Meßkerns 46 hin konisch erweiternd ausgebildet. Die Hülse 47, die zuerst in den Rohrkörper 45 eintaucht kann kürzer als die Hülse 48 ausgebildet sein.
Zwischen den beiden Hülsen 47, 48 befindet sich wieder ein Bereich 46a mit konstantem Durchmesser. Die Wirkungsweise beim Eintauchen des Meßkerns 46 in den Rohrkörper 45 ist analog zu der in Figur 5 beschrieben. Dabei entspricht die Hülse 47 der Hülse 42 und die Hülse 48 der Hülse 43 in ihrer Wirkungsweise.
Selbstverständlich sind auch andere geometrische Formen, z.B.
Ringe, als die hier aufgeführten Hülsen möglich. In allen Fällen ist dabei eine Verstärkung des Wirbelstromeffektes am Beginn und am Ende der Meßspule durch eine Veränderung des Abstandes zwischen der Meßspule und der Kernoberfläche bzw. der Meßrohrinnenwand wichtig. Auch ist eine einstückige Herstellung denkbar.
Die Sensoranordnung kann auch nach dem induktiven Verfahren; betrieben werden. Dabei gelten sinngemäß die gleichen Verhltnisse.

Claims

Ansprüche 1. Sensoranordnung mit einer Spule (11) und einem relativ zu dieser bewegten Element (26), die von Wechselstrom durchflossen ist und in eine Spannungsteilerschaltung (14) oder in eine Brückenschaltung geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) Bereiche (29a, 29b, 29c) aufweist, in denen ihr magnetisches Wechselfeld unterschiedlich gedämpft wird, so daß die am Ausgang der Schaltung abgegriffene Spannung eine lineare Kennlinie, bezogen auf die Relativbewegung der Spule (11) zum Element (26), hat.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) auf einen Träger (28) aus elektrisch nicht leitendem Werkstoff gewickelt ist und daß ein ortsfest zur Spule (11) angeordnetes elektrisch gut leitendes Meßrohr (27) Bereiche (29a, 29b, 29c) mit unterschiedlichen radialen Abständen (y) zwischen der Spule (11) und der Meßrohr-Innenseite (29) aufweist (Figur 2).
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr (27) in den Bereichen (29a, 29c) an den Enden der Spule (11) sich nach außen zunehmend erweiternde Abstände (y) zwischen der Spule (11) und dem Meßrohr (27) aufweist.
4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bereiche (29a, 29c) an den beid-en Enden des Meßrohrs (27) zu den Öffnungen hin konisch erweitern.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) auf einen vorzugsweise nicht elektrisch leitenden Meßkern (40) gewickelt ist und daß ein relativ zur Spule beweglich angeordnetes metallisches Meßrohr (41) an seinen beiden Enden Bereiche mit unterschiedlichen radialen Abständen (Y) zwischen Spule (11) und der Meßrohrinnenseite aufweist.(Figur 5).
6. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (x) von beiden Enden des Meßrohrs (ki) her zunimmt und das Meßrohr (41) einen mittleren Bereich (kla) mit konstantem Innendurchmesser (d) aufweist.
7. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) auf ein.vorzugsweise elektrisch nichtleitendes Meßrohr (45) gewickelt ist und daß ein relativ zum Meßrohr (45) beweglicher metallischer Meßkern (46) an seinen Enden Bereiche (47, 48) mit unterschiedlichen radialen Abständen (y) zwischen der Spule-(11) und dem Meßkern (46) und einen mittleren Bereich (46a) mit konstantem Abstand aufweist und daß die Bereiche (47, 48) konisch zu den Enden des Meßkerns (46) hin zunehmen (Figur 6).
8. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) auf eine Hülse (35) aus nicht elektrisch leitendem Material aufgewickelt ist, die an den beiden Enden der Spule (11) Bereiche (35a, 35c) mit einer dickeren Wandstärke aufweist und daß die Hülse (35) auf einem Kern (37) aus metallischem Werkstoff angeordnet ist (Figur 4).
9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bereichen (35a, 35c) an den beiden Enden der Hülse (35) die radialen Abstände (y) zwischen der Spule (J1) und der metallischen Oberfläche des Kernes (46) unter schiedlich groß sind.
10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1, bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (29a, 29c; 35a, 35c; 42, 43; 47, 48) mit den unterschiedlichen radialen Abständen (Y) unterschiedlich lang sind.