DE3910297C2 - - Google Patents
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- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/14—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
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, 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 sich ändernde Spannung.
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. Dies gilt vor allem für niedrige Ar
beitsfrequenzen, d. h. für Arbeitsfrequenzen bis mehrere 100 kHz.
Magnetische Objekte vergrößern bei Annäherung an die Spule
die Induktivität, nichtmagnetische Objekte verringern sie. Auch
hier ist ein demoduliertes Ausgangssignal proportional zum Ab
stand zwischen Sensor und Meßobjekt.
Sowohl beim Wirbelstrommeßverfahren als auch beim induktiven
Meßverfahren wird die Änderung der Impedanz einer in einem Sen
sor angeordnete 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 also einerseits aus
einer Änderung der Induktivität der Spule, andererseits aus der
Änderung des Realwiderstandes der Spule. Der Imaginärteil der
Spulenimpedanz wird u. a. durch die Eigenkapazität der Meßspule
und damit durch die gesamte Ausgestaltung des Sensors vorgege
ben. 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 und damit der Gesamtimpedanz der Meßspule.
Gelangt beispielsweise Wasser (εr ≈ 80) zwischen Sensor und
Meßobjekt, so wird die Eigenkapazität der Meßspule beeinflußt.
Bei gebräuchlichen Sensoren liegt dabei die Änderung der Kapa
zität bei wenigen pF. Ist das Wasser - oder ein anderer Werk
stoff mit hoher Dielektrizitätszahl - dauernd vorhanden, so
kann der Einfluß des Wassers auf die Eigenkapazität der Spule
bei der Kalibrierung des Meßsystems berücksichtigt werden. Ist
jedoch der Raum zwischen Sensor und Meßobjekt beispielsweise
nicht spritzwassergeschützt, 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 zunehmen. Dies liegt daran, daß eine Bewegung des
Meßobjekts bei großem Abstand zwischen Sensor und Meßobjekt nur
eine geringe Impedanzänderung der Spule bewirkt.
Die Arbeitsfrequenz bzw. Resonanzfrequenz des Sensorschwing
kreises berechnet sich nach der bekannten Formel
wobei CSpule die Eigenkapazität der Sensorspule und CErg die
Ergänzungskapazität für die gewünschte Arbeitsfrequenz ist.
Bei niedrigen Frequenzen und gegebener Induktivität L ist die
prozentuale Änderung der Resonanzfrequenz nur gering, da die
Kapazität CErg wesentlich größer als die Eigenkapazität der
Spule ist. Die prozentuale Änderung der Resonanzfrequenz nimmt
jedoch annähernd quadratisch mit der Frequenz zu, da entspre
chend CErg abnimmt. Das bedeutet, daß der Einfluß bei 1 MHZ 100
mal so groß ist wie bei 100 kHz.
Aus der DE-OS 37 17 932 ist eine Schutzhülse für die aktive
Stirnfläche eines als Näherungsinitiator ausgebildeten Sensors
bekannt, bei der auf der Meßseite des Sensors ein Plättchen aus
elektrisch und magnetisch nichtleitendem Keramik-, Glas- oder
Kunststoffmaterial vorgesehen ist. Die Schutzhülse ist dadurch
geschlossen. Das Plättchen dient ausschließlich zum Schutz der
aktiven Stirnfläche des Sensors gegen Druck oder mechanische
Beeinflussung. Hinsichtlich des Einflusses von Flüssigkeiten
oder Festkörpern mit hoher Dielektrizitätszahl auf die Meßwerte
des Sensors treten hier die gleichen Probleme wie bei dem zuvor
erläuterten, aus der Praxis bekannten Wegmeßsystem auf.
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 dünnschichtig ausgeführt ist und aus einem elek
trisch leitfähigen Werkstoff besteht, so daß die Abschirmung
einerseits für den von der Spule bzw. von den Spulen ausgehende
elektrische Feldlinien zumindest weitgehend undurchlässig, an
dererseits für von der Spule bzw. von den Spulen ausgehende
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 Feldlinien (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 andererseit 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-/
Auswerteelektronik (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 εr. 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
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.
Bzg. 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 usw. - 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 Feld
linien in Frage kommen. Eine geeignete
Abschirmung des elektrischen Feldes läßt sich 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.
Ebenso könnte die Abschirmung in besonders vorteilhafter Weise
aus elektrisch leitfähiger Keramik hergestellt sein.
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.
Claims (14)
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) dünnschichtig ausgeführt
ist und aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff besteht, so
daß die Abschirmung (15) einerseits für von der Spule (1) bzw.
von den Spulen (1) ausgehende elektrische Feldlinien (12) zu
mindest weitgehend undurchlässig, andererseits für von der
Spule (1) bzw. von den Spulen (1) ausgehende elektromagnetische
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
oder 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 aus einem elektrisch leitfä
higen Kunststoff besteht.
13. Wegmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Abschirmung aus Graphit besteht.
14. Wegmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Abschirmung aus einer elektrisch leitfä
higen Keramik besteht.
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