DE2025734C - Meßumformer - Google Patents

Description

Meßspule (3) festgekoppelten Leiter (1) einen zwei-

ten Leiter (2) aufweist, dessen Koppelung mit der
Spule in Abhängigkeit vom Meßwert variabel ist.

3. Meßumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leiter (1) zwischen der as Die vorliegende Erfindung betrifft einen Meß-Meßspule (3) und dem zweiten Leiter (2) liegt. umformer, mit mindestens einer in einem Wechsel-

4. Meßumformer nach Anspruch 3, dadurch ge- strom-Meßkreis liegenden Meßspule, auf die vom kennzeichnet, daß der erste Leiter (1) aus einem Meßwert abhängige, durch das Spulenfeld induzierte Material geringerer Leitfähigkeit besteht als der Wirbelströme rückwirken, und wobei ein mit der zweite Leiter (2). 30 Meßspule festgekoppelter Leiter vorhanden ist.

5. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 Solche Umformer oder Geber werden in neuerer bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- Zeil in stets steigendem Maße verwendet, wo die spule (3) aus Widerstandsdraht gewickelt ist. gewünschte Änderung einer elektrischen Eigenschaft

6. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 durch Interaktion des Spulensystems mit einem Baubis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (1, 2) 35 element, in dem sich Wirbelströme ausbilden können, flächenhaft, z. B. als zur Meßspule konzentrische erzielt wird. Dieses Bauelement muß leitend, jedoch Metallzylinder ausgebildet sind. nicht ferromagnetisch sein. Sofern mit der Meßspule

7. Meßumformer nach Anspruch 6, dadurch ge- gekoppelte Leiter eine bestimmte Funktion haben, kennzeichnet, daß der erste Leiter (1) als Gehäuse besteht sie darin, das Spulenfeld auf das Meßobjekt für die Meßspule (3) oder als Wickelkörper für 40 zu konzentrieren und damit ein höheres Auflösungsdieselbe ausgebildet ist. vermögen zu erzielen (deutsche Auslegeschrift 1275 776).

8. Meßumformer nach Anspruch 2, dadurch ge- Die Spulengüte soll dabei möglichst wenig beeinflußt kennzeichnet, daß die Leiter (1, 2) elastisch mit- werden.

einander verbunden sind und durch die angreifende Das Prinzip dieser Geber beruht darin, daß man im

Meßgröße ihre gegenseitige Lage verändert werden 45 magnetischen Feld der Spule ein Konstruktions-

kann. element aus einem leitenden Medium anordnet. In

9. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 diesem Medium werden Wirbelströme induziert, die bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- ihrerseits ein Gegenfeld aufbauen, das auf die Spule spule (3) den einen Zweig einer Meßbrücke bildet, rückwirkt und somit eine Änderung ihrer elektrischen in deren übrigen Zweigen Widerstände (8, 9, 18; 50 Eigenschaften verursacht. Diese Art Meßumformer 19; 20) liegen. bezeichnet man zweckmäßigerweise als Wirbelstrom-

10. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 geber.

bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Meß- Sowohl bei den klassischen induktiven, als auch bei

spule (3) ein Kondensator (17) in Serie oder pa- den Wirbelstromgebern weist das Meßspulensystem

rallel geschaltet ist. 55 eine nicht zu vernachlässigende ohmsche Komponente

11. Meßumformernach Anspruch 2, dadurch ge- auf. Das bedeutet, daß man bei den gebräuchlichen kennzeichnet, daß an den Leitern (1, 2) und/oder Schaltungen, die meist eine Brückenschaltung oder ain einem Spulenkern temperaturabhängige Korn- eine symmetrische Spannungsteileranordnung darpensationswiderstände (9, 10) angebracht sind, die stellen, sowohl die imaginäre (induktive) als auch die in den Meßkreis geschaltet sind. 60 reelle (ohmsche) Komponente der Impedanz des Meß-

12. Meßumformer nach Anspruch 11, dadurch spulensystems abgleichen muß. Eine weitere, physikagekennzeichnet, daß der mit dem ersten Leiter (1) lisch bedingte Eigenschaft dieser Geber ist die Tem- und der mit dem Spulenkern verbundene Kompen- peraturabhängigkeit der Impedanz, die sich auf beide sationswiderstand.(8 bzw. 9) in einem Brücken- Komponenten erstreckt und die dadurch hervorgerufen zweig und der mit dem zweiten Leiter (2) verbun- 65 wird, daß Permeabilität und Leitfähigkeit der benutzten dene. Kompensationswiderstand (10) im Speise- Werkstoffe temperaturabhängig sind. Bei den ferrokreis (21, 22) der Brücke liegt. magnetischen Werkstoffen ist die Temperaturabhän-

13. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 gigkeit ihrer Eigenschaften sogar relativ stark. Will

3 " 4

man diese Temperaturabhängigkeit durch geeignete Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in der

Maßnahmen kompensieren, muß sich eine exakte · folgenden Beschreibung erläutert, zu der die F i g. t Kompensation grundsätzlich auf bride Komponenten bis 10 gehören. Es zeigt

der Impedanz erstrecken. Dann werden die Verhält- F i g. 1 den physikalischen Mechanismus der Inter-

nisse oft sehr kompliziert und eine gut wirksame 5 aktion der Gegenfelder, hervorgerufen durch Wirbel-Kompensation stößt auf große technische Schwierig- ströme, die durch das ursprüngliche Magnetfeld der keiten. Darin ist ein Grund zu suchen, daß induktive Spule in zwei leitenden Medien ausgelöst werden,^ Geber, wo wir jetzt die Wirbelstromgebe- mit einte- F i g. 2 eine vereinfachte Illustration zur Erläute-

ziehen müssen, oft als zu temperaturempfindlich für rung des »Abschirmeffektes«, aus der die Arbeitsweise Präzisionsmessungen abgelehnt werden (siehe z. B. io der nach diesem Prinzip aufgebauten Meßumformer Ch. Rohrbach, Handbuch für elektrisches Messen ersichtlich ist,

mechanischer Größen, Düsseldoif, 1967, S. 451, Ab- F i g. 3 das Prinzip der Realisierung der Anordnung

schnitt G2.3.3.1., sowie S. 176 — Allgemeine Be- nebst Maßnahmen zur Kompensation der Temperatururteilung), empfindlichkeit,

Erfindungsgemäß wird nun angestrebt, Meßumfor- 15 F i g. 4 die Einschaltung der Meßspule und der mer auf Basis des Wirbelstromprinzips so auszulegen, Kompensationswiderstände in eine Brückenschaltung, daß die Impedanz eine stark überwiegende ohmsche F i g. 5 den prinzipiellen Aufbau eines flachen

Komponente aufweist, daß für oie praktische An- Gebers für Langwegmessungen, wendung die induktive Komponente vernachlässigt F i g. 6 einen aus dieser Form abgeleiteten Drehwerden kann. Der Geber hat dann den Charakter ao winkelgeber,

eine« ohmschen Schaltelementes. Das hat zur Folge, F i g. 7 einen aus der Form nach F i g. 5 hervor-

daß der Abgleich in Brücken- und symmetrischen gehenden Messwertaufnehmer für sehr kleine Ver-Spannungsteileranordnungen einfacher ist und, was Schiebungen,

als hervorstechendstes Merkmal anzusehen ist, eine F i g. 8 den prinzipiellen Aufbau eines symmetri-

Kompensation der Temperaturabhängigkeit wesentlich as sehen Tauchankergebers zur Messung mittlerer Vereinfacher durchzuführen ist. In vielen Fällen ergibt schiebungswege,

sich eine erheblich einfachere Konstruktion des Gebers. r 1 g. 9 die entsprechende Form eines asymmetri-

Auch ein Abgleich auf identische Empfindlichkeit ist sehen Tauchankergebers, der zur Messung großer mittels Widerständen einfach möglich. Ein weiterer. Verschiebungswege geeignet ist, nicht zu unterschätzender Vorteil ist der, daß man 30 Fig. 10 die Umkehrung des in F i g. 9 dargestellten durch geeignete Materialauswahl ganz generell ein Prinzips der Wegmessung, die ebenfalls als rotationsbesseres Temperaturverhalten als bei den klassischen symmetrische Realisierung der in F i g. 5 dargestellten Gebern erreichen kann, wodurch die Kompensations- flachen Bauweise aufgefaßt werden kann, maßnahmen noch mehr vereinfacht werden. Fig. 11 eine maßstäbliche Darstellung eines Au-

Gemäß der Erfindung erreicht man dieses Ziel 35 führungsbeispiels und dadurch, daß durch feste Koppelung der Meßspule F i g. 12 ein Schaltschema zur F i g. 11.

mit einem Leiter geringerer Leitfähigkeit eine vor- Eine Abschirmung beeinflußt die Impedanz einer

gegebene Herabsetzung der induktiven Komponente Spule. Das magnetische Feld der Spule löst in der und Erhöhung der ohmschen Komponente der Spulen- Abschirmung Wirbelströme aus, die ihrerseits wiederum impedanz erfolgt, derart, daß die Spulenimpedanz 40 ein Magnetfeld aufbauen, ein Gegenfeld, das auf das praktisch ohmisch ist, und daß ein nur in bezug auf erregende abschwächend einwirkt, eine physikalische die ohmsche Komponente der Spulenimpedanz an- Tatsache, die durch das Lenzsche Gesetz ausgedrückt sprechender Meßkreis vorgesehen ist. wird. Die Induktivität der Spule wird also durch die

Es ist zwar bekannt, daß jede Koppelung einer Abschirmung verkleinert. Es ist allerdings zu bemerken, Spule rrit einem Leiter die Spulengüte herabsetzt, 45 daß bei Abschirmungen aus einem ferromagnetischen doch waren mit dieser theoretischen Erkenntnis aliein Material der entgegengesetzte Effekt infolge der die erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht gegeben. Permeabilität des Schirmmaterials, die sich auf die

Es wird unten nachgewiesen, daß durch die Kopp- Feldausbildung um die Meßspule auswirkt, eintreten lung, und zwar vorzugsweise enge Koppelung der kann. Da das für die Abschirmung benutzte Material Meßspule mit einem Leiter in der Weise, daß im Leiter 50 einen bestimmten Widerstand aufweist, verursachen Wirbelströme induziert werden, die auf die Spule die Wirbelströme nach dem Jouleschen Gesetz einen zurückwirken und ihr Feld schwächen, eine Herab- Energieverlust, der sich dahingehend auswirken muß, Setzung der induktiven und eine Erhöhung der ohm- daß sich die ohmsche Komponente der Impedanz der sehen Komponente der Spulenimpedanz erzielt wird. Meßspule vergrößert.

Durch geeignete Bemessung der Anordnung kann 55 Man kann die Verhältnisse sehr anschaulich und hierbei erreicht werden, daß die induktive Kompo- einfach qualitativ auf folgende Weise darstellen: Die nente der Meßspulenimpedanz im Vergleich mit der Anordnung einer Spule, die mit einem Schirmzylinder ohmschen Komponente so gering ausfällt, daß die umgeben ist bzw. allgemein ausgedrückt, die Anord-Impedanz praktisch rein ohmisch wirkt und jedenfalls nung einer Spule, in deren Magnetfeld sich ein leiten-Änderungen der induktiven Komponente, z. B. infolge 60 des Medium befindet, entspricht dem Aufbau eines Temperaturschwankungen, nicht mehr ins Gewicht Transformators. Die Belastung dieses Transformators fallen. Vorzugsweise wird der mit der Spule unver- bildet der Eigenwiderstand des leitenden Mediums, änderlich gekoppelte Leiter als Kurzschlußleiter oder Das leitende Medium kann man als die mit der Spule, Abschirmung, z. B. als ein die Meßspule umgebendes die eine Primärwicklung darstellt, verkoppelte Sekun-Rohr bzw. als leitender Spulenkörper ausgebildet, doch 65 därwicklung ansehen. Dann kann man den gesetzist es auch möglich, als Leiter eine zweite Spule vor- mäßigen Zusammenhang zwischen Belastung und zusehen, die mit der Meßspule transformatorisch ge- Rückwirkung durch die Transformatorgleichungen koppelt und mit einem Widerstand belastet ist. ausdrücken.

Für die Eingangsimpedanz der Spule gilt die Be- zur Innenseite des Mediums 2 zurückgelangt. So

Ziehung wiederholt sich immer das gleiche Spiel. Setzt man als

_ _ (O²A/⁴ erregendes Feld ein Dipolfeld an — und das kann

Z = R₁ -\ —— (i) man in den meisten Fällen —, sind alle von innen nach

^2 5 außen strebenden Felder Dipolfelder, und die nach

_mit innen gerichteten Felder sind homogen. Die nach

K=R 4- ju)L außen reflektierten Anteile werden durch einen soge-

— ^l nannten »äußeren Rückwirkungsfaktor« definiert, der

R₂=.R_t+jwL₂, durch den Index α gekennzeichnet ist. Die mathema-

Λ/² = 1(²L₁L₂. ίο tische Behandlung des eben geschilderten Vorganges

führt für den sich ergebenden inneren Rückwirkungs-

Es bedeuten faktor der durch die beiden Medien gebildeten An-

L₁₁L₂ ... die Induktivitäten von Spule und dem Ordnung zu dem Ausdiuck

leitenden Medium, ₂

A₁, R₂ ... die Wirkkomponente der Spule und der 15 _{w =w w} Q· ₍₃₎

Eigenwiderstand des leitenden Mediums, ^B '¹^ '² 1 _ w_i2 · W_ai k ... der Kopplungsfaktor zwischen Spule und

leitendem Medium. worin bedeutet

Nach einer einfachen Rechnung ergibt sich aus der Schirmfaktor des Mediums 1,

Formel(1) der Ausdruck ^ao ,„ „, ■ „- , ■ , ,, j ..

Wi₁, Wi₂ ... innere Ruckwirkungsfaktoren der Me-

L₁ dien 1 und 2,

L₂ ² . Ar²L₁ Wa₁ ■ ■ ■ äußerer Rückwirkungsfaktor des Mc-

^ υ, ^Ja) D2 diums 1.

1 + *^a If \ «5

<o^%L\ O)^L₂ Da die Rückwirkungsfaktoren der beiden Medien 1

.yi und 2 von ihrer Orientierung zur Spule, also anders

ausgedrückt, von der Geometrie der Anordnung ab-

Aus dem Ausdruck (2) kann man deutlich die Ver- hängen, muß zwangläufig eine gegenseitige Verschiekleinemng der Induktivität und Vergrößerung der 30 bung der beiden Medien eine Änderung des Gesamtöhmschen Komponente erkennen. Ferner ist klar rückwirkungsfaktors bedeuten und damit ebenfalls ersichtlich, daß man durch eine geeignete geometrische eine Änderung der Impedanz der Spule. Erfindungs-Anordnung, sowie durch eine zweckmäßige Wahl der gemäß wird angestrebt, daß durch eine zweckentspre-Werkstoffe die Veränderung der elektrischen Eigen- chende Wahl der Abmessungen die induktive Komposchaften der Spule erheblich betonen kann, so daß es 35· nente der Impedanz gegenüber der resistiven Komponaheliegend erscheint, die Verhältnisse so zu gestalten, nente vernachlässigbar ist, was im wesentlichen durch daß der Wert der induktiven Komponente gegenüber das Medium 1 erreicht wird, das bei der technischen dem der ohmschen Komponente vernachlässigbar Ausführung der Meßwandler als Schutzhülle der Spule klein wird. ausgebildet werden kann. Das Medium_2 verursacht

Erfindungsgemäß befinden sich im magnetischen 40 dann in der Regel praktisch nur eine Änderung des Feld der Spule zwei leitende Medien, deren gegenseitige Wertes der resistiven Komponente in dem Sinne, daß Lage durch die zu messende Größe verändert wird. diese bei zunehmendem Meßwert kleiner wird. Man Es tritt dann für die theoretische Betrachtung der Fall kann die Verhältnisse sehr anschaulich noch auf foleiner »Doppelabschirmung« ein. Die Interaktion zwi- gende Weise erläutern (s. Fig. 2): Eine Meßspule3 ' sehen diesen beiden Medien kann man auf folgende 45 soll die Länge / haben. Die Abschirmung 4 wird durch Weise illustrieren (s. dazu F i g. 1): Im Magnetfeld ein Medium gebildet, das über die Länge / — λ cine einer Spule, mathematisch ausgedrückt durch einen bestimmte Dicke </, hat und über die restliche Länge magnetischen Dipol, befinden sich die Medien 1 und 2, die Dicke d_z. Die Widerstandszunahme der Spulendie in Interaktion treten. Das durch die Spule hervor- impedanz soll pro Längeneinheit für die Dicke U₁ den gerufene Magnetfeld erzeugt durch Wirbelstrombildung 5° Wert/1A₁ und für die Dicke d₂ den Wert AR₂ aufim Medium 1 ein Rückwirkungsfeld, dessen Intensität weisen. Dann kann man approximativ für die Gedurch einen sogenannten »Rückwirkungsfaktor« Wi₁ Samtwiderstandszunahme Δ R den Ausdruck
ausgedrückt werden soll. Der Index/ soll besagen, Ar — Ar ti 7\ j. λ » ; -had λ α\

daß es sich um eine Rückwirkung nach »innen« han- ^R - AR₁(I - X) + AR_t-1-X[AR₁- ΔR₂)

delt, wobei wir als Innenseite die der Spule zugekehrte 35 . ...

Seite auffassen wollen. Es wild also an der inneren f**™*· P^ie Wderstandszunahme ist e.ne lineare Räche des Mediums 1 ein Teil des Feldes »reflektiert«. F^tion Jer Langen λ und / - L
Ein Teil des Feldes dringt durch das Medium 1 hin- , ^{& erhebt s}'^{ch nun} f * ^Fra.ge der Temperaturdurch und wird dabei um den sogenannten »Schirm- kompensation der Anordnung. Im wesentlichen wird faktor« O₁ geschwächt, wobei es die Gestalt des 60 <j>^e Temperaturabhangigkeit der Impedanz des Gebers ursprünglichen Feldes beibehält. Das Restfeld trifft ^durch Wgende Ursachen hervorgerufen:
auf das Medium 2, wo wieder ein Teil reflektiert wird, 1. Temperaturabhängigkeit des Leitwertes des Mewas der Rückwirkungsfaktor W^ ausdrucken soll. diums 1,

Der übrigeTeil durchdringt das Medium 2, geschwächt 2. Temperaturabhängigkeil des Leitwertes des Medurch den Schirmfaktor Q₂. Das an der Innenwand des 65 diums 2,

Mediums 2 reflektierte leid trifft auf die Außenwand 3. Temperaturabhängigkeil des ohmschen Wider-

clcs Mediums 1, wobei wieder ein Teil durch das Standes der Spulenwicklung, also des Draht-

Mcditim I hindurchgeht, ein Teil reflektiert wird und widcrMandcs,

4. bei

Verwendung einer Eisenkernspule durch sationswiderstände. Um den gewünschten Wert des

peraturabhängigkeit der Permeabilität und Widerstandes des zweiten Brückenzweiges zu erreichen,

·..-_... j__ ιλ».«,.,«,ι,γιο(Ται wird noch der Widerstand 18 zugeschaltet. Die Werte

dem Sinne, dali der wert aero _Kompen_sation durch den Zusatzkondensator 27 ausgeglichen wird.

ϊΜΠΓΓΑ^ω^ ^{an 10 Der die Kom}P^{ensation der} temperaturabhängigen

»ΙϊοηΓη Stellen an den Medifn 1 und 2, sowie am Empfindlichkeitsänderung kompensierende, am Me-

l3?AnSXisein solcher benutzt w rd, tempe- dium 2 befestigte Widerstand 10 ist zusammen mit

Kern teJV^ttS^u^™™- _{die in} entspre- den zur Einstellung des erforderlichen Temperatur-

raturabhangige Widerstände^^b"«g *^β^ ^P _{wie koe}fnzienten dienen Hilfswiderständen 21 und 22 in

chender We.se in ^^^^f^"^'^! ₁₅ die Speisung der Brückenschaltung, die an den Klem-

an-e.nem in F. g. 3 ^"'«^Ώ^^Ξ· besteht men 23 und 24 angeschlossen wird, eingeschaltet. Das

S^TÄsit^KSSÄKcmS. Meßs_lgna, wird an den K,emmen25 und 26 abge-

Im Magnetfeld dieses *£"^J£$Sj^ TiTTemperaturunabhängigkeit des Wicklungs-

Med.en 1 und 2 ^ang^e^^d^_ß ^df^_efX^wfr_d, wL *> Widerstandes der Spule 3 kann man durch Verwendung

durch die zu ™^«£°^ß J_oli £ß sichTdas Me- eines Widerstandsdrahtes erreichen, in F i g. 5 ist eine

dadurch ausgedruckt werden _soU, dab s«n aas _Ausführungsform eines Gebers zur Messung größerer

dium 2 eee»iuber dem Medium 1 in nenne g _{en bis zu einj Dezimetern darges}tellt.

verschieben kann. Es ^ta"^* "JÄ™^™ _dm?_h Der Geber ist in Flachbauweise ausgeführt. Sein Ge- ^^.^^^S^S^^^ a₅ häuse stellt das Medium 1 dar. Durch Verschiebung

Einfluß einer Kraft auf einen ^"JS _{h A in} pf_eilrichtung kommt er mehr oder weniger zur

wird. Die Verhaltnisse, die bei en«*tochniKnen aus |_{em Medium das durch ejnen Ma}.

führung im w«entljchen von toGewjnete^ ^^ ^ ^^ ^ ^ ^ ^

Ordnung und ^ ^S_nZyXj _Ki beispielsweise in eine Spalte eingeschoben werden, werden so gewählt, ^.^β "Kn^rSSien kann, 30 Der Abstand d der beiden Medien ist konstant. Die nente gegenüber der ohmsc^J^^SmSU Spule 3 ist auf einen ferromagnetischen Flachkern 5 so daß der M^^rtaufn^^hm"^r _de^° 7_eratu^_sSS gewickelt. Man benutzt hier zweckmäßig einen Werk-Element darstellt Mit zunehmende Temperatur^ e^t g Ferritbasis, der sich durch einen kleinen

der Widerstand des Gebers der ™^^π J^en ™™ _Tcmperaturkoefnzienten der Permeabilität (größen- »««»^'«»»^^^"^ίΕΤωιΐΐά 35 ordnungsmäßig etwa 10-... 10-) und einen hohen

man nun am Kern 5 und an den»Medien 1 spezifischen Widerstand (größenordnungsmäßig etwa

temperaturabhängigen W^sande^^un,! lü ^^.^ _auszeichnet. _{ln die}sem Fall ist die

den Anschlüssen 11-12 ^ und ¹J^{16 a}^ ^_6n Temperaturabhängigkeit, die durch den Kern ver-

beispielsweise mit N^iC*^e!dl^a* ³^₁ 2Ϊ 5 auf- ursacht wird, praktisch vernachlässigbar. Für das

wickelt und direkt auf die Elemente 1 ^J¹J _Medium j ^ _{die HüUe des Gebers darstellt)} ^

klebt. Es ist nun noch zu beach en dab sicn α ^ ^ _{nichtm tisches Material mit mö}glichst

peraturabhängigkeit ebenfalls auf J^ Empnnaucn _speäfischem Widerstand und kleinem Tempe-

des Gebers erstreckt, wobei ^ J^^ndenS des raturkoeffizienten des Widerstandes wählen (größenord-

Verhältnis der maximalen ^^^oSide- nungsmäßig 10-), wie beispielsweise eine Ni-Cr-Fe-Systems zur maxima en ^S^¹¹'^ ^ _{durch 45} Legierung, wie sie häufig im chemischen Apparatebau

rung der beiden Medien 1 und ^™^™^ _in Verwendung findet. Ir, vielen Fäüen eräbri^ sich jetzt

die zn messende.Große, ver Jand^n^™^,^ _{auch hier} eine Kompensation. Wenn durch das Me-

der Regel wird die E^^hc^Ιΐ™« _in Ab- dium 2 eine Temperaturabhängigkeit verursacht wird, Temperatur kleiner und zwar ubhchjrwase ^ ^ ^ _{n SteUe der widerstand 10 an}. hängigkeit von der Temperatur de^ Medmms ^ ^^ _{der cntsprechend} de_{r Fig}._{4 in} bildlich gesprochen, in Abhängigkeit von oer ^ 6 elektrische Anordnung eingeschaltet wird, ratur des »äußeren« Medium. Man wählt «"»»^Jjjjj _{In F} i g. 6 wird ein Meßwertwandler für Drehmäßigerweise zur ^^^5°°? ^Vc widerstand), bewegung dargestellt, der direkt ans dem Flachgeber mit negativem Temperaturbeiwert (N iu ™£^ ^ in F i g. 5 hervorgeht. Die mit Widerstandsdraht auf der im entsprechenden Sinne ¹JJ «"^c ^_νδηΓ. ₅₅ einen ferromagnetischen Kern gewickelte, segmentordnung eingeschaltet wird· in r ig.. _fö^ gebogene Spule befindet sich innerhalb eines tesSchaltbeMeldargesteUtDieMeßspu^Sun^Ger ^. ^.^j _{darstellenden Gehauses}. yor dieses

Kondensator 17 bilden einen ^weig. Gehäuse wird das segmentförmige Medium 2 ge-

elemente«, 9, 18 und 27 den ^we.te^ ^«g _>Λοΐ^ ^ ^ ^ ^^^^ _{d gelagcrt} ^

BrOckenarmes. Der 2W^eitt„^BruSrr aut Grund- 60 Eine weitere Variante, die aus dem in F1 g. 5 dar-

die Widerstände 19 und 20 #*^ηα1ζ KomDonente gestellten Prinzip eines Flachgebers hervorgeht, ist in

gedanken der Erfindung ist die «^naV™ _enübe_r der F i g. 7 dargestellt Diese Anordnung ist zur Messung

der Meßspule vernachlässigbar Kiem g^ ^^ _{von Ueinm} ^₀ kleinsten Verschiebungen geeignet

gedanken der Ernndung isi u» '"TT ." „«,enüber der F i g. 7 dargestellt Diese Anordnung ist zur Messung der Meßspule vernachlässigbar Kiera s<=b ^^ _{von Ueinm} ^₀ kleinsten Verschiebungen geeignet ohmschen Komponente (etwa ΐυ- ^DIS *" u_nter- Die Spule 3 ist als Flachspule um einen ferromagnetiaus irgendwelchen Gründen eine " _h ^_{11 65} sehen Kern 5 ausgeführt und ganz in das Medium 1, drückung der induktiven ^P^r^JSiator 17, das gleichzeitig zur Halterung des Gebers dient, einerscheinen, kann dies durch den "!"^" erreicht gekapselt Diese Meßsonde kann in Pfeilrichtung eine dessen Wert in keiner Weise kitusu "_Kom„_n_ relative Bewegung zu dem Medium 2 ausführen, Wobei werden. Die Widerstände 8 und » sina u ^ ^^

sich der Abstand d der wirksamen Oberfläche 28 der hat einen Außendurchmesser von 20 rrim und eine

Meßsonde von der Oberfläche 29 des Mediums 2 Wandstärke von 1 mm. Es gewährleistet einerseits

ändert. Eine fallweise Kompensation der temperatur- einen guten mechanischen Schutz der Meßspule und

abhängigen Empfindlichkeitsänderung wird durch den stellt andererseits die erste Abschirmung der Meß-

Widerstand 10 bewirkt. 5 spule dar. Der Werkstoff des Rohres soll einen mög-

Wie aus den F i g. 8 und 9 ersichtlich ist, können liehst hohen spezifischen Widerstand und einen mögebenfalls Geber in der Art der klassischen Tauch- liehst geringen Temperaturkoeffizienten aufweisen, ankergeber erstellt werden. F i g. 8 stellt einen Diffe- Für die erwähnte Legierung beträgt der Spezifische rentialgeber zur Messung mittlerer Verschiebungen Widerstand 103 -lO-'Qcm und der Temperaturkoeffibis zu einigen Millimetern dar. Das Medium 1 wird io zient 13 · 10 *. Das Rohrl ist in dem Geberhals 43 als Spulenkörper ausgebildet, auf den die beiden hart eingelötet, der in den Geberkopf 44 ausläuft, symmetrisch angeordneten Spulen 3 aus Widerstands- Die Teile 43 und 44 können aus gut bearbeitbarem, draht aufgewickelt werden. Das Medium 2 ist der nichtrostendem, unmagnetischem Stahl bestehen. Im verschiebbare Kern mit den Zugstangen 30 und 31. Geberkopf sind auf einer Montageplatte 45 weitere Für beide Medien wird man dasselbe Material mit 15 zur Ausbildung einer Halbbrücke gemäß F i g. 12 hohem spezifischem Widerstand und kleinem Tempe- erforderliche Elemente angeordnet. Der Montageraum raturkoeffizienten des Widerstandes verwenden. F i g. 9 des Geberkopfes ist durch einen Deckel 46 abgezeigt die asymmetrische Variante dieses Gebers, die für schlossen. Er weist ferner einen Anschlußstecker 47 auf. längere Wege benutzt werden kann. Wiederum ist auf Das Rohr 40 ist mittels eines Stiftes 48 an einem das als Spulenträger dienende Medium 1 eine Spule 3 »o Stopfen 49 befestigt, dessen Flansch zwischen dem aus Widerstandsdraht aufgewickelt. In dieses Spulen- Rohr 1 und einem Gewindering 50 festgeklemmt ist. system taucht das Medium 2, das aus demselben Ma- Der Raum zwischen Spule 3 und Rohr 1 sowie der terial besteht, ein. Dieser Geber ist eine direkte tech- Hohlraum des Geberkopfes 44 sind z. B. mit einem nische Realisierung des in F i g. 2 dargestellten ver- elastischen Araldit-Kunstharz vergossen. Der Abeinfachten »Abschirmprinzips«. Der Geber ist von »5 schlußdeckel 51 des Rohres 1 besteht ebenfalls aus einer ferromagnetische!! Hülle 5 umgeben. einer nichtmagnetischen Legierung und ist mit dem

Gibt man dem in F i g. 5 dargestellten Flachgeber Rohr 1 verschweißt.

eine rotationssymmetrische Form, entsteht eine Va- Die physikalischen Eigenschaften der Kerne 5 sollen riante, wie in Fig. 10 dargestellt ist.' Auf einem möglichst temperaturunabhängig sein und weisen folferromagnetischen Kern 5 befindet sich eine mit 30 gende Werte auf: Widerstandsdraht gewickelte Spule 3. Dieses Spulensystem wird von dem Medium 1 umschlossen und Anfangspermeabilität bei 20⁰C 250

taucht in das Medium 2 ein. Für eine fallweise not- TK der Anfangspermeabilität < 8 · 10~^e

wendige Korrektur der durch das Medium 2 hervor- Spezifischer Widerstand > ΙΟ⁵ Ωαη

gerufenen Temperaturabhängigkeit ist der Wider- 35 Curiepunkt =250° C

stand 10 vorgesehen.

Es hat sich gezeigt, daß mit besonderem Vorteil der Da es sehr wichtig ist, daß der Gleichstromwider-Leiter I aus Material niedriger Leitfähigkeit, z. B. stand der Meßspule 3 seinen Wert bei Temperatur-Konstanlan, und der Leiter 2 aus Material hoher änderungen möglichst wenig verändert, wird als Draht-Leitfähigkeit, z.B. Cu oder Al, hergestellt wird. Ist 40 material Manganin mit einem Durchmesser von 0,2 mm wie im Falle der F i g. 10 in einem bestimmten Ma- verwendet, das einen Temperaturkoeffizienten des schinenteil eine Bohrung vorgesehen, in welche die Widerstandes von nur 1 · 10~^s aufweist. Da eine Meßspule eindringt, kann diese Bohrung gegebenen- möglichst geringe Güte dieser Meßspule angestrebt falls mit einem gut leitenden Mantel ausgekleidet wird, ist der hohe spezifische Widerstand des Manga-■iverden. 45 nindrahtes von 420 · 10-⁴QCm von Vorteil.

Praktische Versuche haben z. B. ergeben, daß eine Die Meßspule 3 hat folgende elektrische Werte, die Spule, die ohne Beeinflussung durch die Leiter 1 und bei einer Betriebsfiequenz von 8 kHz gemessen

2 eine ohmsche und induktive Impedanzkomponente wurden: von je etwa 100 Ohm aufweist, nach dem Anbringen des Leiters 1 eine ohmsche Komponente von rand 50 Induktiver Widerstand

4000 Obm und eine induktive Komponente der Im- (imaginäre Komponente) I R_L j = 32 Ω

pedanz von rund 40 bis 50 Ohm aufwies. Je nach Ohmscher Widerstand

Lage des Leiters 2 fiel die ohmsche Komponente bis (reelle Komponente) R =480 Ω

auf rund 900 Ohm ab.

Fig. 11 und 12 zeigen ein praktisches Ausführungs-55 r,:_{e rnte A}„ «„,,. _Λ I Jk J . beispiel. Entsprechende Teile sind gleich bezeichnet ^{Die Gute} *" ^SP^ule· Ö = ^, ist also äußerst

wie in den Fig. 1 bis 10. Die Meß.")ule3 befindet gering.

sich auf einem Rohr 40 aus glasfaserverstärktem Man bezeichnet derartige Anordnungen als quasiKunststoff mit einem Außendurchmesser von 14 mm. ohmische Elemente. Als Grenzwert kann :san festin diesem Rohr sind ferromagnetische Kerne 5 ein- 60 legen, daß stets β < 0,1 sein muß, um das gewünschte geklebt Auf dem Rohr 40 befinden sich Distanz- Resultat zu erzielen, wobei es gleichgültig ist, welche ringe 41 und 42, zwischen welchen die Spule 3 aus Zahlenwerte die beiden Komponenten annehmen. Widerstandsdraht in einer Lage gewickelt ist Die Man kann also ebenso gut hochohmige als auch Distanzringe41 und 42 dienen zugleich der Bejesti- niederohmige quasiohmische.Elemente erstellen, gung der Wicklungsenden. 65 Führt man den Geber Jn 1.einen' Korper mit einer

• Die Meßspule befindet sich in einem vorn dicht Meßbohrung (Meßkörper) ein, so-bildet dieser Körgeschlossenen Rohr 1 aus einer nichtmagnetischen Le- per eine zweite Abschirmung. Da das magnetische gierung mit 76 % Ni, 15 % Cr und 8 % F^e- E)³S Rohr Feld der Spule durch das Schutzrohr selbstverständlich

nicht absorbiert werden darf, tritt nun eine Interaktion zwischen den Abschirmungen und der Spule ein, die sowohl deren reelle als auch imaginäre Komponenten maximal um etwa 20% der ursprünglichen Werte, d. h. der Werte ohne Einwirkung des Meßkörpers ändert. Bei dem beschriebenen Modell tritt eine Verkleinerung der reellen Komponente um etwa 18% und eine Vergrößerung der imaginären Komponente bis auf einen Wert, der kleiner als 10% des ursprünglichen Wertes der reellen Komponente ist, ein.

Bei Erstellung dieses Gebers muß beachtet werden, daß

1. die Wicklung der Meßspule möglichst nahe der Rohrwandung zu liegen kommt, um die Güte möglichst stark herabzusetzen. Die Güte der

Spule Q = -L^J- soll den Wert Q = 0,1 nicht

überschreiten;

2. die Wandstärke des Rohres 1 das 1- bis 3fache der sogenannten äquivalenten Leitschichtdicke δ für das benutzte Material beträgt, wpbei jetzt

/ = Frequenz in kHz,

ρ = spezifischer Widerstand in Ω

JL = relative Permeabilität

Has Material des Rohres soll einen möglichst hohen spezifischen Widerstand mit kleinem Temi«S*SEnten aufweisen und darf nicht

Wnetischsein damit die äquivalente Leitschichtmagneuscnscui, _^ _M

akMeßkörpermaterialein Werkstoff mit geringem spezifischem Widerstand benützt werfen soll, um eine möglichst starke Rückwirkung auf die Spule η enden. Der Meßkorper kann aus magneüschem Matenal bestehen, was jedoch nicht Bedingung ist. 5

Werden die in den drei Punkten festgelegten Dimensionierungsgrundsatze befolgt, erzielt man eine quasiohmische Anordnung. ......

Zur Messung wird dieses quas.ohm.sche Element vorzugsweise in eine Brücke gemäß F ι g. 12 e.nge-

schaltet. *»,»-, a

j_n (Jj₆₅₆₁. Schaltung sind die Elemente Al, Λ2 und

Rk im Geberkopf 44 auf der Montageplatte 45 ange-

_{ordnet Der} Widerstand ist bifilar direkt auf die Meß-

^ ^ _{3 aufgewicke}i_{t m}^ _wn^ d_urch das Eingießen _{des Spulensystems} fi_xi_ert. Auch wenn man die Materialien sorgfältig auswählt, weist der Geber noch einen gewissen Temperaturkoeffizienten auf, der in d_er Größenordnung von 0,5 bis l°/o/°C liegt. Die

^ _teraperaturbedingte Impedanzänderung kann durch _{einen temperaturab}hängigen Widerstand r, der in dem zweiten Brückenzweig eingeschaltet wird, in ihre Auswirkung kompensiert werfen. Der Widerstandr besteht aus Nickeldraht Durchmesser 0,1 mm, der bei

»5 einem hohen spezifischem Widerstand von 7 · 10~^e £icm einen großen Temperaturkoeffizienten von 6,7 · 10~³ aufweist Der Wert des Widerstandes wirf mit 200 Ω gewählt. Zur jeweils genauen Einstellung der Kompensation wirf ein Widerstand Rk zu r parallel ge-

so schaltet. Um eine ausgezeichnete Linearität (etwa 1 % maximale Abweichung, bezogen auf den Maximalwert) zu gewährleisten, wird mit der Meßspule 3 ein Widerstand Rl in Serie geschaltet, der so bemessen wird, daß die Änderung des Gesamtanteüs der reellen

Komponente dieses Brückenzweiges etwa 5% des Wertes bei Nullage beträgt Durch den Widerstand Al wirf der Widerstand des anderen Brückenzweiges angeglichen. Mit Kompensaüon werfen Temperaturkoeffizienten in der Größenordnung von 0,10/„/^oC

4<> erreicht

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 W 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die MeB-Patentansprüche: ^^ eine GüteC = ^. von höchstens 0,1

1. Meßumformer, mit mindestens einer in einem aufweist. .
Wechselstrom-Meßkreis liegenden Meßspuie, auf 5 14. Meßumformer nach Anspruch 11, dadurch die vom Meßwert abhängige, durch das Spulenfeld gekennzeichnet, daß mit der Meßspale(3) ein induzierte Wirbelströme rückwirken, und wobei ein Kompensationswiderstand mit hohem Temperaturmit der Meßspule festgekoppelter Leiter vorbanden koeffizienten (r) bifilar auf denselben Spulenist,dadurch gekennzeichue t, daß durch träger(40) gewickelt ist.

feste Koppelung der Meßspuie (3) mit einem Lei- io 15. Meßumformer nach Anspruch 14, dadurch

ter (1) geringer Leitfähigkeit eine vorgegebene Her- gekennzeichnet, daß die Meßspule (3) und der

absetzung der induktiven Komponente und Erhö- Kompensationswiderstand (r) in benachbarte, nut

hung der ohmschen Komponente dei Spulen- der einen Ausgangsklemme einer Meßbrücke

impedanz erfolgt, derart, daß die Spulenimpedanz (F i g. 12) verbundenen Brückenzweigen liegen,

praktisch ohmisch ist, und daß ein nur ik\ bezug 15 16. Meßumformer nach Anspruch 6 oder 7, da-

auf die ohmsche Komponente der Spulenimpedanz durch gekennzeichnet, daß der erste Leiter (1) eine

ansprechender Meßkreis (8, 9, 18 bis 20) vorge- Wandstärke aufweist, die das 1- bis 3fache der

seihen ist. äquivalenten Leitschichtdicke beträgt.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er äußer dem ersten mit der ao