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WO2008151597A1 - Induktiv arbeitende sensoranordnung und verfahren zum beeinflussen des messverhaltens einer messspule - Google Patents

Induktiv arbeitende sensoranordnung und verfahren zum beeinflussen des messverhaltens einer messspule Download PDF

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Publication number
WO2008151597A1
WO2008151597A1 PCT/DE2008/000879 DE2008000879W WO2008151597A1 WO 2008151597 A1 WO2008151597 A1 WO 2008151597A1 DE 2008000879 W DE2008000879 W DE 2008000879W WO 2008151597 A1 WO2008151597 A1 WO 2008151597A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coil
sensor arrangement
measuring
voltage
arrangement according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2008/000879
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English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Hrubes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG filed Critical Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Publication of WO2008151597A1 publication Critical patent/WO2008151597A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Definitions

  • an electromagnetic field is generated by a coil, which induces eddy currents in a conductive object located in the measuring range of the sensor.
  • eddy currents affect the impedance of the coil (Lenz's rule).
  • both the real and the imaginary part of the impedance of the coil is changed as a function of the distance of the coil to the object. This change is used as a measurement signal and allows conclusions about the distance of the coil to the object.
  • a disadvantage of such coils is that they react sensitively to acting magnetic fields. Additional magnetic fields change the permeability of the core, which in turn affects the coil impedance. Therefore, these coils can not be used in environments in which magnetic fields are present (for example, in electric motors, lifting magnets or the like).
  • the permeability of the core especially at negative temperatures and temperatures above 100 0 C, strongly dependent on the temperature of the core. The maximum achievable manufacturing tolerances of several percent in the permeability and the mechanical dimensions continue to have a negative impact.
  • Coils with larger diameters are difficult or impossible to realize because the production of the cores is difficult and extremely expensive.
  • arrangements are known in which a plurality of coils are arranged one above the other and serve a coil for the detection of an error signal. Such a system is shown in DE 33 36 783 A1.
  • the measuring coil and the further coil are configured such that their winding axes are substantially parallel to each other.
  • the two winding axes substantially coincide, whereby the two coils are formed coaxially. It is essentially irrelevant how the two coils are constructed.
  • the coils may be formed by a wire winding.
  • a conductor track applied to a carrier could form a coil. For this purpose, a number of embodiments is known from practice.
  • the measuring coil and the further coil could be designed such that the field of the further coil amplifies or reduces the field of the measuring coil.
  • a suitable structural design of the coils can be used.
  • the amplification factor and the phase position the superposition of the individual fields can be changed. Fixed gain factors and phase shifts can be used as well as customizable ones.
  • the oscillator could be designed to be free-swinging.
  • the oscillator could be formed by a resonant circuit, which contains, among other things, the measuring coil. This would reduce the frequency emitted by the oscillator to change the impedance of the measuring coil. This embodiment is used, for example, in a detection of impedance changes application.
  • the sensor arrangement could be designed in such a way that the measuring coil, in conjunction with the further coil, both serves to generate an electromagnetic field and realizes a detection of the conductive materials. This is achieved in particular by measuring the impedance or its change as a function of conductive materials in the measuring range of the sensor arrangement. For this purpose, various methods are known from practice.
  • the detection coil could in turn have a further coil which is arranged around the detection coil. This would further increase the spatial resolution of the sensor array.
  • the emission characteristic of the sensor arrangement is controlled by applying a further coil arranged around the measuring coil with a voltage derived from the supply voltage of the measuring coil.
  • a further coil arranged around the measuring coil with a voltage derived from the supply voltage of the measuring coil.
  • an amplifier and / or a phase shifter are used. It should be ensured that influencing the characteristics of the other coil as little or no influence on the supply voltage of the measuring coil takes.
  • FIG. 10 shows a sensor arrangement according to the invention, which has a separate exciter and detection coil
  • the quality of the measuring coil 2 is not reduced, as for example in the case of a metal-shielded sensor, and thus, with the same coil diameter of the measuring coil 2, the same detection distance results as with an unshielded standard measuring coil.
  • suitable values of the coils and suitable settings of the amplitude and phase relationships a significantly better spatial resolution of the measurement can be achieved.
  • FIG. 4 the distance diagrams in FIG. 4 are obtained with a sensor arrangement 1 according to the invention. It can be clearly seen that a considerable improvement of the spatial resolution can be achieved even with a relatively large measuring distance. In addition, the width in the diagram corresponds much better to the actual diameter of the lid.
  • FIG. 2 The circuit corresponds essentially to that of FIG. 2, but the tap is located for the derivation of the supply voltage U 2 for the further coil 3 immediately after the oscillator 4 before the coupling impedance. 5

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
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Abstract

Eine induktiv arbeitende Sensoranordnung mit einer Messspule (2), wobei ein Oszillator (4) die Messspule (2) mit einer Wechselspannung versorgt, ist im Hinblick auf sine Verbesserung des Messverhaltens der Sensoranordnungen und einer Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber seitlichen Annäherungen dadurch gekennzeichnet, dass um die Messspule (2) eine weitere Spule (3) angeordnet ist und dass die weitere Spule (3) mit einem Verstärker (6) verbunden ist, über den die weitere Spule (3) mit einer von der Wechselspannung des Oszillators (4, 8) abgeleiteten Spannung (U2) speisbar ist. Ein entsprechendes Verfahren ist angegeben.

Description

INDUKTIV ARBEITENDE SENSORANORDNUNG UND VERFAHREN ZUM BEEINFLUSSEN DES MESSVERHALTENS
EINER MESSSPULE
Die Erfindung betrifft eine induktiv arbeitende Sensoranordnung mit einer Messspule, wobei ein Oszillator die Messspule mit einer Wechselspannung versorgt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Beeinflussen des Messverhaltens einer Messspule, wobei die Messspule durch einen Oszillator mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird.
Induktiv arbeitende Sensoranordnungen nehmen in der Messtechnik einen wichtigen Stellenwert ein. Sie sind überall dort einsetzbar, wo elektrisch und/oder magnetisch leitfähige Objekte detektiert werden sollen. Befinden sich derartige Objekte im Messbereich eines induktiven Sensors, so wirken diese auf den Sensor zurück. Die Rückwirkung kann als Messsignal genutzt werden. Wichtigste Anwendungsgebiete sind Abstands- oder Näherungssensoren sowie Wegmesssensoren.
Es sind prinzipiell zwei verschiedene Ausführungen von induktiven Sensoren bekannt. Bei einer Ausführung wird durch eine Spule ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das in einem sich im Messbereich des Sensors befindlichen leitfähigen Objekt Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme wirken auf die Impedanz der Spule zurück (Lenz'sche Regel). Dadurch wird sowohl der Real- als auch der Imaginärteil der Impedanz der Spule in Abhängigkeit von dem Abstand der Spule zu dem Objekt verändert. Diese Veränderung wird als Messsignal genutzt und ermöglicht Rückschlüsse auf den Abstand der Spule zu dem Objekt.
Ein anderes Messprinzip verwendet zwei separate Spulen, wobei eine Spule ein elektromagnetisches Feld erregt und die zweite Spule das Feld detektiert. Ein leitfähiges Messobjekt, das sich im Messfeld dieser Anordnung befindet, beeinflusst den Kopplungsfaktor zwischen der Erregerspule und er Detektionsspule. Befinden sich Erreger- und Detektionsspule relativ zum Messobjekt auf der gleichen Seite, erhöht sich die Kopplung zwischen den Spulen. Ein derartiges System ist beispielsweise aus der DE 195 23 519 A1 oder der JP 57200803 A bekannt. Befindet sich das Messobjekt hingegen zwischen der Erreger- und der Detektionsspule, reduziert das
BESTATIGUNGSKOPIE Messobjekt die Kopplung. Die Veränderung der Kopplung kann messtechnisch er- fasst und sowohl für Abstands- als auch Wegmesssensoren herangezogen werden.
Problematisch an den bekannten Sensoranordnungen ist, dass die Sensoren eine relativ starke Empfindlichkeit gegenüber Objekten aufweisen, die sich dem Sensor seitlich nähern. Diesem Problem wird in der Praxis mit verschiedenen Ansätzen begegnet. Nach einem Ansatz wird die Messspule nach hinten und seitlich durch ein metallisches Gehäuse abgeschirmt. Durch diese Maßnahme wird die Messspule nur noch durch Annäherung eines Objekts von vorne an die Sensorstirn beeinflusst. Problematisch an diesem Ansatz ist jedoch, dass die Güte der Spule gegenüber einer Luftspule reduziert ist, da die Impedanz bereits durch die Schirmung verändert ist. Damit ist die Empfindlichkeit auf die Annäherung eines Messobjekts reduziert, was sich in einem kleineren nutzbaren Messbereich und einem geringeren Auflösungsvermögen des Sensors im Vergleich zu einer Luftspule gleicher Abmessung widerspiegelt.
Nach einem anderen aus der Praxis bekannten Ansatz werden die Spulen mit einem magnetischen Kern ausgestaltet. Durch den Kern weisen die Spulen gegenüber Luftspulen eine höhere erreichbare Güte und damit eine größere Empfindlichkeit auf. Je nach Form des Kerns wird zusätzlich eine Bündelung des elektromagnetischen Felds erreicht. Eine relative Unempfindlichkeit gegenüber seitlichen Annäherungen bietet eine Ausgestaltung des Kerns als Schalenkern.
Nachteilig an derartigen Spulen ist, dass sie empfindlich auf einwirkende Magnetfelder reagieren. Durch zusätzliche Magnetfelder verändert sich die Permeabilität des Kerns, was sich wiederum auf die Spulenimpedanz auswirkt. Daher können diese Spulen nicht in Umgebungen eingesetzt werden, bei denen magnetische Störfelder vorhanden sind (beispielsweise bei Elektromotoren, Hubmagneten oder dergleichen). Zudem ist die Permeabilität des Kerns, insbesondere bei negativen Temperaturen und Temperaturen über 1000C, stark von der Temperatur des Kerns abhängig. Die maximal erreichbaren Fertigungstoleranzen von mehreren Prozent bei der Permeabilität und den mechanischen Abmessungen wirken sich weiter negativ aus. Spulen mit größeren Durchmessern (über etwa 30 mm) lassen sich nicht oder kaum realisieren, da die Herstellung der Kerne schwierig und extrem teuer ist. Zum Detektieren von Fehlern und Rauschen sind Anordnungen bekannt, bei denen mehrere Spulen übereinander angeordnet sind und eine Spule zur Detektion eines Fehlersignals dienen. Ein derartiges System ist in der DE 33 36 783 A1 gezeigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass das Messverhalten induktiver Sensoranordnungen verbessert wird und insbesondere eine Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber seitlichen Annäherungen erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Sensoranordnung dadurch gekennzeichnet, dass um die Messspule eine weitere Spule angeordnet ist und dass die weitere Spule mit einem Verstärker verbunden ist, über den die weitere Spule mit einer von der Wechselspannung des Oszillators abgeleiteten Spannung speisbar ist.
In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 16 gelöst. Danach ist das in Rede stehende Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass eine um die Messspule angeordnete weitere Spule mittels eines Verstärkers und/oder Phasenschiebers mit einer Spannung beaufschlagt wird, die von der durch den Oszillator abgegebenen Wechselspannung abgeleitet ist, und dass durch die weitere Spule die Abstrahlcharakteristik der Sensoranordnung beeinflusst wird.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass das Messverhalten einer induktiven Sensoranordnung auch ohne Kapselung der Sensorspule und ohne die Verwendung magnetischer Kerne positiv beeinflusst werden kann. Stattdessen genügen vergleichsweise einfache Maßnahmen, die weniger stark in das Verhalten der Sensoranordnung eingreifen. Dazu ist um die eigentliche Messspule eine weitere Spule angeordnet, die die Messspule zumindest teilweise umschließt. Das Messverhalten dieser erweiterten Messanordnung kann auf verblüffend einfache Art und Weise dadurch verbessert werden, dass die weitere Spule mit einer Spannung gespeist wird, die von der die Messspule speisenden Wechselspannung abgeleitetet ist. Dazu wird die von dem Oszillator abgegebene Wechselspannung abgegriffen und über einen Verstärker der weiteren Spule zugeführt. Durch diese Maßnahme hat eine Veränderung der Impedanz der weiteren Spule einen sehr geringen oder keinen Einfluss auf das Verhalten der Messspule. Die Messspule kann hingegen unabhängig von der weiteren Spule betrieben werden. Die Felder der Messspule und der weiteren Spule überlagern sich jedoch derart, dass eine aktive Schirmung der Messspule gegenüber seitlichen Einflüssen erreicht wird. Femer führt die Verwendung der weiteren Spule und deren besondere Speisung dazu, dass das Messfeld gegenüber gebräuchlichen Sensoranordnungen wesentlich gebündelter abgegeben wird. Dadurch ist das örtliche Auflösungsvermögen der Spulenanordnung weiter erhöht.
Zum Erhöhen der Flexibilität der Anwendung könnte vor oder nach dem Verstärker ein Phasenschieber angeordnet. Dadurch kann auf die Phasenlage zwischen der die Messspule speisenden Wechselspannung und der weiteren Spule Einfluss genommen werden, wodurch die Überlagerung der durch die beiden Spulen abgegebenen Felder gesteuert werden kann. Durch Wahl der Phasenlage zwischen den beiden Spannungen kann daher die Charakteristik des abgestrahlten Messfelds in hohem Maße beeinflusst werden.
Vorzugsweise sind die Messspule und die weitere Spule derart ausgestaltet, dass ihre Wickelachsen im Wesentlichen parallel zueinander liegen. Vorzugsweise fallen die beiden Wickelachsen im Wesentlichen zusammen, wodurch die beiden Spulen koaxial ausgebildet sind. Dabei ist es im Wesentlichen unerheblich, auf welche Art und Weise die beiden Spulen aufgebaut sind. So können die Spulen durch eine Drahtwicklung gebildet sein. Andererseits könnte eine auf einem Träger aufgebrachte Leiterbahn eine Spule bilden. Hierzu ist aus der Praxis eine Reihe von Ausgestaltungen bekannt.
Dabei könnten die eingesetzten Spulen als Luftspulen ausgebildet sein, d.h. es ist kein magnetischer Kern im Inneren der Spule angeordnet. Dadurch könnte die Sensoranordnung auch in Umgebungen mit magnetischen Störfeldern eingesetzt werden. Eine Beeinflussung des Kerns durch die Störfelder unterbleibt damit. Zum Gewährleisten einer koordinierten Überlagerung der Magnetfelder der Messspule und der weiteren Spule könnten die beiden Spulen derart angeordnet sein, dass sie in Messrichtung im Wesentlichen bündig abschließen.
Der Verstärker, der die Speisespannung für die weitere Spule zur Verfügung stellt, könnte die zu verstärkende Spannung sowohl verstärken (Verstärkung größer 1) als auch gegebenenfalls dämpfen (Verstärkung kleiner als 1). Auch eine Impedanzwandlung (Verstärkung gleich 1) könnte realisiert werden. In ähnlicher Weise könnte der Phasenschieber zu unterschiedlich starken Phasenverschiebungen genutzt werden. Phasenverschiebungen von 0° können ebenso realisiert sein, wie Verschiebungen von nahezu 360°.
Vorzugsweise ist der Verstärker in seiner Verstärkung steuerbar, wodurch der Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit der Anwendungssituation eingestellt werden kann. Ein gegebenenfalls zusätzlich zu dem Verstärker vorhandener Phasenschieber könnte ebenso steuerbar ausgebildet sein. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, besonders flexibel auf die einzelnen Magnetfelder und auf das abgegebene Gesamtfeld Einfluss zu nehmen.
Die Messspule und die weitere Spule könnten derart ausgestaltet sein, dass das Feld der weiteren Spule das Feld der Messspule verstärkt oder verringert. Hierzu kann eine geeignete konstruktive Ausgestaltung der Spulen herangezogen werden. Andererseits kann durch eine geeignete Wahl des Verstärkungsfaktors und der Phasenlage die Überlagerung der einzelnen Felder verändert werden. Feste Verstärkungsfaktoren und Phasenverschiebungen können hierbei ebenso Anwendung finden wie anpassbare.
Der die Messspule versorgende Oszillator könnte eine Spannung mit fester Frequenz abgeben. Zusätzlich könnte die Spannung eine feste Amplitude aufweisen. Entsprechende Oszillatoren sind aus der Praxis hinlänglich bekannt.
Alternativ könnte der Oszillator freischwingend ausgebildet sein. Dabei könnte der Oszillator durch einen Schwingkreis gebildet sein, der unter anderem die Messspule enthält. Dadurch würde sich die durch den Oszillator abgegebene Frequenz in Ab- hängigkeit der Impedanz der Messspule ändern. Diese Ausgestaltung findet beispielsweise bei einer Detektion von Impedanzänderungen Anwendung.
Die Spannung, die zur Ableitung der Versorgungsspannung für die weitere Spule genutzt wird, könnte an verschiedenen Stellen abgegriffen werden. Zum einen könnte der Abgriff der Spannung nach einer Kopplungsimpedanz erfolgen, über die die Messspule mit dem Oszillator verbunden ist. Dadurch folgt die Versorgungsspannung der weiteren Spule der Versorgungsspannung mit definierter Phasenlage. Allerdings könnte die zur Ableitung der Versorgungsspannung der weiteren Spule genutzte Spannung auch unmittelbar nach dem Oszillator abgegriffen werden.
Vorzugsweise erfolgt die Einspeisung der verstärkten und gegebenenfalls phasenverschobenen Spannung in die weitere Spule niederohmig. Dabei liegt die Speiseimpedanz vorzugsweise nahe 0 Ω.
Die Sensoranordnung könnte zum einen derart ausgestaltet sein, dass die Messspule in Verbindung mit der weiteren Spule sowohl zum Erzeugen eines elektromagnetischen Felds dient als auch eine Detektion der leitfähigen Materialien realisiert. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Impedanz bzw. deren Veränderung in Abhängigkeit von leitfähigen Materialien im Messbereich der Sensoranordnung gemessen wird. Hierzu sind aus der Praxis verschiedene Verfahren bekannt.
Andererseits könnte die Sensoranordnung derart ausgestaltet sein, dass die Messspule in Verbindung mit der weiteren Spule ein elektromagnetisches Feld erzeugt und zusätzlich eine Detektionsspule vorgesehen ist. Die Detektionsspule würde dann zur Detektion von leitfähigen Materialien dienen. Dabei würde der Kopplungsfaktor zwischen der Messspule und der Detektionsspule bestimmt werden.
Zum Erreichen einer noch weiter verbesserten Ortsauflösung der Sensoranordnung könnte die Detektionsspule wiederum über eine weitere Spule verfügen, die um die Detektionsspule angeordnet ist. Dadurch würde das örtliche Auflösungsvermögen der Sensoranordnung weiter gesteigert. Beim Betreiben einer derartigen Sensoranordnung, beispielsweise der zuvor beschriebenen, wird die Abstrahlcharakteristik der Sensoranordnung durch Beaufschlagen einer um die Messspule angeordneten weiteren Spule mit einer von der Versorgungsspannung der Messspule abgeleiteten Spannung gesteuert. Hierzu kommen ein Verstärker und/oder ein Phasenschieber zum Einsatz. Dabei sollte gewährleistet sein, dass eine Beeinflussung der Charakteristika der weiteren Spule möglichst geringen oder gar keinen Einfluss auf die Versorgungsspannung der Messspule nimmt.
Zur Steuerung der Abstrahlcharakteristik der Sensoranordnung wird vorzugsweise die Versorgungsspannung der weiteren Spule beeinflusst. Die Veränderung der Versorgungsspannung könnte darin bestehen, den Verstärkungsfaktor des Verstärkers zu beeinflussen. Zusätzlich oder alternativ könnte die durch den Phasenschieber hervorgerufene Phasenverschiebung beeinflusst werden. Dadurch kann die Abstrahlcharakteristik der Messspule in weiten Bereichen beeinflusst werden. Allerdings könnten der Verstärkungsfaktor und/oder die Phasenverschiebung auch fest eingestellt sein. Auf diese Weise kann die Abstrahlcharakteristik zwar nicht verändert werden, allerdings lässt sich diese beim Aufbau des Systems entsprechend den Vorgaben des Anwendungsfalls einstellen.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 bzw. 16 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch eine in der erfindungsgemäßen Sensoranordnung einsetzbaren Messspule mit einer weiteren Spule sowie eine Frontalansicht der Sensoranordnung,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der ein Abgriff der zu verstärkenden Spannung nach einer Kopplungsimpedanz erfolgt, Fig. 3 ein Diagramm einer Messung des Abstands einer Messspule zu einem Messobjekt unter Verwendung einer aus der Praxis bekannten Sensoranordnung,
Fig. 4 ein Diagramm einer Abstandsmessung entsprechend der Fig. 3 zugrunde liegenden Messung jedoch unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der ein Abgriff der zu verstärkenden Spannung vor einer Kopplungsimpedanz erfolgt,
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der ein Abgriff der zu verstärkenden Spannung unmittelbar nach einem Oszillator erfolgt,
Fig. 7 eine aus dem Stand der Technik bekannte Sensoranordnung mit getrennter Erreger- und Detektionsspule, die ein massives Messobjekt de- tektiert,
Fig. 8 die Sensoranordnung gemäß Fig. 7, mit der ein Drahtgitter als Messobjekt detektiert wird,
Fig. 9 ein Abstandsdiagramm, das mit einer Sensoranordnung gemäß Fig. 7 oder Fig. 8 gewonnen wurde,
Fig. 10 eine erfindungsgemäße Sensoranordnung, die eine getrennte Erregerund Detektionsspule aufweist,
Fig. 11 ein Abstandsdiagramm, das mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß Fig. 10 gewonnen wurde,
Fig. 12 eine erfindungsgemäße Sensoranordnun, bei der sowohl die Erreger- als auch die Detektionsspule über eine weitere Spule verfügen. Fig. 1 zeigt eine Sensoranordnung 1 , die aus einer Messspule 2 und einer koaxial zu dieser angeordneten weiteren Spule 3 besteht. Die Messspule 2 und die weitere Spule 3 sind derart ausgebildet, dass die Messspule 2 im Inneren der weiteren Spule 3 untergebracht sein kann. Dabei sind die Messspule 2 und die weitere Spule 3 derart angeordnet, dass die beiden Spulen in Messrichtung (in Fig. 1 nach rechts gerichtet) bündig abschließen. Die beiden Spulen 2, 3 sind als Luftspulen ausgestaltet, wobei die weitere Spule 3 mehr Wicklungen aufweist als die Messspule 3. Eine derartige Sensoranordnung 1 wird in den im Zusammenhang mit den weiteren Fig. beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung eingesetzt. Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Messspule 2 sowohl zum Erzeugen eines elektromagnetischen Felds als auch zur Detektion leitfähiger Materialien im Messbereich der Messspule 2 genutzt wird. Die Messspule 2 wird durch einen Oszillator 4 über eine Kopplungsimpedanz 5 mit einer Wechselspannung U1 gespeist. Der Oszillator 4 gibt dazu eine Wechselspannung U1 mit fester Frequenz und Amplitude ab. Infolgedessen erzeugt die Messspule 2 ein elektromagnetische Feld F1.
Zur Speisung der weiteren Spule 3 mit einer von der Versorgungsspannung U1 der Messspule 2 abgeleiteten Spannung U2 wird die Spannung U1 nach der Kopplungsimpedanz 5 abgegriffen und einem Verstärker 6 mit einstellbarer Verstärkung zugeführt. Ein dem Verstärker 6 nachgeordneter Phasenschieber 7 kann die Phasenlage beeinflussen. Dieser kann eine einstellbare Phasenverschiebung (unter Umständen auch gleich Null) bewirken. Die derart erzeugte Spannung U2 wird niederohmig (Speiseimpedanz möglichst nahe 0 Ω) in die weitere Spule 3 eingespeist. Dadurch erzeugt diese ein elektromagnetisches Feld F2, das sich dem Feld F1 der Messspule 2 überlagert. Je nach Amplitude und Phasenlage ergeben sich im Feldbereich Verstärkungen oder Verringerungen der Feldstärke. Dabei weisen die Felder F1 und F2 automatisch die gleiche Frequenz auf.
Das Amplituden- und Phasenverhältnis der Spannungen U1 und U2 an den beiden Spulen 2, 3 bleibt bei Annäherung eines Messobjekts konstant, da sich die Spannung U2 an der weiteren Spule 3 direkt von der Spannung U1 an der Messspule 2 ableitet. Sobald das Feld F1 durch ein leitfähiges Objekt in seinem Messbereich verändert wird, ändert sich entsprechend auch das Feld F2. Ein leitfähiges Objekt, das sich weitgehend nur im Feldbereich F2 befindet, hat jedoch keinen bzw. lediglich einen geringen Einfluss auf die Impedanz - und damit auf das Messsignal - der Messspule 2. Das Feld der weiteren Spule 3 schirmt die Messspule 2 somit durch Überlagerung gegen seitliche Einflüsse ab. Die Schirmwirkung und die Feldbündelung des Feldes F1 kann durch Einstellung der Amplitude und der Phasenlage der Spannung U2 für die weitere Spule 3 beeinflusst werden. Die Güte der Messspule 2 wird dabei nicht, wie beispielsweise bei einem metallisch geschirmten Sensor, reduziert und somit ergibt sich bei gleichem Spulendurchmesser der Messspule 2 der gleiche Detektionsabstand wie bei einer ungeschirmten Standard-Messspule. Bei geeigneten Werten der Spulen und geeigneten Einstellungen der Amplituden- und Phasenverhältnisse lässt sich eine wesentlich bessere Ortsauflösung der Messung erreichen.
Als Beispiel für die Wirksamkeit der durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 erreichbaren Feldfokussierung seien die Fig. 3 und 4 betrachtet. Beide Fig. zeigen jeweils Diagramme von Abstandsmessungen, bei denen ein induktiver Sensor an einem auf einem Behältnis befindlichen metallischen Deckel vorbeibewegt wurde. Der Deckel weist infolge eines Unterdrucks in dem Behältnis eine Durchbiegung auf. Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils eine Reihe von Messungen, die mit verschiedenen Grundabständen durchgeführt wurde. Die Ordinate der Diagramme zeigt den Abstand der Messspule zu dem Deckel, während die Abszisse die Verschiebung des Sensors wiedergibt.
Fig. 3 zeigt ein Abstandsdiagramm einer Messung, die mit einer aus der Praxis bekannten Sensoranordnung mit lediglich einer einfachen Messspule aufgenommen wurde. Die Durchbiegung des Deckels ist selbst bei nahem Grundabstand nicht zu erkennen. Das Signal ist wegen des breiten Messfeldes wesentlich breiter, als der Deckeldurchmesser tatsächlich ist.
Die Abstandsdiagramme in Fig. 4 sind hingegen mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 gewonnen. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine erhebliche Verbesserung der Ortsauflösung auch bei relativ großem Messabstand erreichbar ist. Zudem entspricht die Breite in dem Diagramm wesentlich besser dem tatsächlichen Durchmesser des Deckels. Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt. Die Schaltung entspricht dabei im Wesentlichen der aus Fig. 2, allerdings liegt der Abgriff der für die Ableitung der Versorgungsspannung U2 für die weitere Spule 3 unmittelbar nach dem Oszillator 4 noch vor der Kopplungsimpedanz 5.
Die Messspule 2 wird wiederum von einem Oszillator 4 über eine Kopplungsimpedanz 5 mit einer festen Frequenz und Amplitude gespeist. Die durch den Oszillator 4 abgegebene Wechselspannung wird über einen Verstärker 6 mit einstellbarer Verstärkung abgegriffen und mit (oder ohne) Phasenverschiebung über einen Phasenschieber 7 niederohmig (Speiseimpedanz möglichst nahe 0 Ω) in die weitere Spule 3 eingespeist. Dadurch wird ein zweites elektromagnetisches Feld F2 erzeugt, das dem Feld F1 automatisch mit der gleichen Frequenz überlagert ist. Das Amplituden- und Phasenverhältnis der Spannungen an den beiden Spulen bleibt bei Annäherung eines Messobjekts an die Messspule 2 - im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel - jedoch nicht konstant. Die Spannung U2 an der weiteren Spule 3 ist durch den Abgriff direkt nach dem Oszillator 4 konstant und ändert sich bei Veränderung der Impedanz der Messspule nicht mit.
Ein leitfähiges Objekt, das sich weitgehend nur im Feldbereich F2 befindet, hat keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die Impedanz der Spule und damit auf das Messsignal. Das Feld der weiteren Spule 3 schirmt die Messspule 2 durch Überlagerung der Felder gegen seitliche Einflüsse weitgehend ab. Die Schirmwirkung kann durch die Einstellung der Amplitude und der Phasenlage und damit der Stärke des Feldes F2 beeinflusst werden. Somit ergibt sich eine Bündelung des Feldes F1 wie im ersten Ausführungsbeispiel jedoch mit anderen Auswirkungen auf die Phase und die Amplitude an der Messspule 2.
Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wiederum entspricht das Schaltbild in weiten Teilen dem Schaltbild gemäß Fig. 2. Der Oszillator ist in diesem Ausführungsbeispiel jedoch als freischwingender Oszillator 8 ausgebildet. Dieser kann beispielsweise durch einen Resonanzkreis gebildet sein, der aus der Messspule 2 und einem nicht dargestellten parallel geschalteten Kondensator besteht. Dadurch verändert sich bei Annäherung eines leitfähigen Objekts nicht nur die Impedanz der Messspule 2, sondern auch die Frequenz der erregenden Wechselspannung. Die Wechselspannung an der Messspule 2, die das elektromagnetische Feld F1 erzeugt, wird über ein Verstärker 6 mit einstellbarer Verstärkung abgegriffen, und mit (oder auch ohne) Phasenverschiebung über einen Phasenschieber 7 in die weitere Spule 3 niederohmig (Speiseimpedanz möglichst nahe 0 Ω) eingespeist. Somit wird ein zweites elektromagnetisches Feld F2 erzeugt, das dem Feld F1 automatisch mit der gleichen Frequenz überlagert ist. Das Amplituden- und Phasenverhältnis der Spannungen an den beiden Spulen 2, 3 bleibt konstant, da sich die Spannung U2 an der weiteren Spule 3 direkt von der Spannung U1 an der Messspule 2 ableitet. Sobald das Feld F1 durch ein leitfähiges Objekt in seinem Messbereich verändert wird, ändert sich entsprechend auch das Feld F2. Ein leitfähiges Objekt, das sich weitgehend nur im Feldbereich F2 befindet, hat jedoch keinen bzw. lediglich einen geringen Einfluss auf die Impedanz der Messspule 2 und damit auf das Messsignal. Das Feld der weiteren Spule 3 schirmt die Messspule 2 durch Überlagerung gegen seitliche Einflüsse ab. Die Schirmwirkung und die Feldbündelung des Feldes F1 kann durch die Einstellung der Amplitude und der Phasenlage an der weiteren Spule 3 und damit des Felds F2 beeinflusst werden.
Die Fig. 7 bis 12 beziehen sich auf ein System mit getrennter Erreger- und Detek- tionsspule. Dabei zeigen die Fig. 7 bis 9 die Verhältnisse, die sich bei einem aus der Praxis bekannten System zeigen. Ein freischwingender Oszillator 8, der unter anderem eine Messspule 9 enthält, speist die Messspule 9 mit einer Wechselspannung U1. Dadurch erzeugt die Messspule 9 ein elektromagnetisches Feld F3, das in Richtung einer Detektionsspule 10 abgestrahlt wird. Der Abstand zwischen der Erreger- und der Detektionsspule kann dabei ein Vielfaches der Spulendurchmesser betragen, wobei die Durchmesser der beiden Spulen 9, 10 gleich groß sind. Allerdings können die Spulen auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Ein Messobjekt 11 wird zwischen den beiden Spulen 9, 10 bewegt. In Abhängigkeit der Position x des Messobjekts 11 wird die Kopplung zwischen der Erreger- und der Detektionsspule verändert. Daher ist die durch die Detektionsspule 10 erzeugte Spannung UΘ von der Position x abhängig. In einer anderen Anwendung kann dieser Effekt beispielsweise dazu genutzt werden, eine Aussage über die Abmessungen eines kleinen oder eines schmalen Objekts (beispielsweise eines Drahtes) zu treffen. Fig. 8 entspricht im Wesentlichen der Hg. 7. Allerdings zeigt Fig. 8 kein massives Messobjekt, sondern ein aus einzelnen nahe beieinander liegenden Drähten bestehendes Messobjekt 12.
Fig. 9 zeigt ein Diagramm, das die Spannung Ue in der Detektionsspule 10 in Abhängigkeit der Position x des Messobjekts 11 , 12 wiedergibt. Dabei ergeben sich sowohl bei dem massiven Messobjekt 11 als auch bei dem aus Drähten bestehenden Messobjekt 12 die gleichen Diagramme. Die einzelnen Drähte können wegen des sehr breiten Messfeldes bei der aus der Praxis bekannten Anordnung nicht getrennt erkannt werden. Hierzu ist die Ortsauf lösung des Systems zu gering.
Die Fig. 10 bis 12 beziehen sich auf eine erfindungsgemäße Sensoranordnung. In Fig. 10 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem die Erregerspule neben einer Messspule 2 eine weitere Spule 3 aufweist. Die Messspule 2 wird von einem Oszillator 4 mit einer Wechselspannung mit fester Frequenz und Amplitude gespeist. Die Messspule 2 gibt dadurch ein elektromagnetisches Feld F3 ab. Die weitere Spule wird mit einer Spannung gespeist, die mittels eines Verstärkers 6 mit einstellbarer Verstärkung und einem Phasenschieber 7 mit einstellbarer Phaseverschiebung aus der Versorgungsspannung der Messspule 2 abgeleitet wird. Die weitere Spule 3 erzeugt dadurch ein elektromagnetisches Feld F4, das sich dem Feld F3 überlagert. Diese überlagerten Felder werden in Richtung einer gegenüber liegenden einfachen Detektionsspule 10 abgestrahlt, die infolge des wechselnden Felds eine Spannung UΘ erzeugt. Der Abstand zwischen der Erregerspulenanordnung (gebildet durch die Messspule 2 und die weitere Spule 3) und der Detektionsspule 10 kann dabei ein Vielfaches der Spulendurchmesser der Messspule 2 bzw. der Detektionsspule 10 betragen.
Zwischen der Erregerspulenanordnung und der Detektionsspule 10 wird wiederum ein aus einzelnen nahe beieinander liegenden Drähten bestehendes Messobjekt 12 vorbeibewegt. Das Messobjekt 12 beeinflusst die Kopplung zwischen der Erregerspulenanordnung und der Detektionsspule 10. Durch geeignete Wahl der Spulenabmessungen und der Amplituden- und Phasenverhältnisse der Spannungen an der Erregerspulenanordnung kann die Spannung U0 so eingestellt werden, dass die Ortsauflösung der Anordnung wesentlich besser ist als nur mit einer Erregerspule. Fig. 11 zeigt den Verlauf der Spannung Uθ, die sich einstellt, wenn das Messobjekt 12 in x-Richtung, d. h. im Wesentlichen senkrecht zu den Spulenachsen, bewegt wird. Dabei wird deutlich, dass die einzelnen Drähte des Messobjekts 12 gut voneinander zu unterscheiden sind und damit sogar deren Abstand zueinander bestimmt werden kann. Die Ortsauflösung ist also im Vergleich zu der aus der Praxis bekannten Anordnung erheblich verbessert.
Eine noch weitere Verbesserung liefert eine Anordnung, bei der auch einer Detek- tionsspule 13 eine weitere Spule 14 zugeordnet ist. Eine derartige Schaltung ist in Fig. 12 dargestellt. Die Schaltung entspricht (abgesehen von der weiteren Spule 14 um die Detektionsspule 13) der in Fig. 10 dargestellten Schaltung. Dabei ergeben sich bei der Detektionsspule 13 und der weiteren Spule 14 unterschiedliche Empfangsspannungen, die durch geeignete Kombination der Summierung mit Hilfe eines einstellbaren Verstärkers und eines Phasenschiebers eine noch bessere Ortsauflösung als die Schaltung gemäß Fig. 10 ermöglichen.
Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass die zuvor rein willkürlich gewählten Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränkt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Induktiv arbeitende Sensoranordnung mit einer Messspule (2), wobei ein Oszillator (4, 8) die Messspule (2) mit einer Wechselspannung versorgt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass um die Messspule (2) eine weitere Spule (3) angeordnet ist und dass die weitere Spule (3) mit einem Verstärker (6) verbunden ist, über den die weitere Spule (3) mit einer von der Wechselspannung des Oszillators (4, 8) abgeleiteten Spannung (U2) speisbar ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach dem Verstärker (6) ein Phasenschieber (7) vorgesehen ist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (2) und die weitere Spule (3) im Wesentlichen koaxial ausgebildet sind.
4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (2, 3) als Luftspulen ausgestaltet sind.
5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (2) und die weitere Spule (3) in Messrichtung im Wesentlichen bündig abschließen.
6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (6) und/oder der Phasenschieber (7) steuerbar sind.
7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld (F2, F4) der weiteren Spule (3) das Feld (F1, F3) der Messspule (2) verstärkt oder verringert.
8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (4) eine Spannung mit fester Frequenz abgibt.
9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (2) Bestandteil eines frei schwingenden Oszillators (8) ist, dessen Frequenz sich in Abhängigkeit der Impedanz der Messspule (2) ändert.
10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgriff der zur Ableitung der Versorgungsspannung (U2) für die weitere Spule (3) genutzten Spannung nach einer Kopplungsimpedanz (5) erfolgt, über die die Messspule (2) mit dem Oszillator (4) verbunden ist.
11. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgriff der zur Ableitung der Versorgungsspannung (U2) für die weitere Spule (3) genutzten Spannung unmittelbar nach dem Oszillator (4, 8) erfolgt.
12. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einspeisung der verstärkten und/oder phasenverschobenen Spannung (U2) in die weitere Spule (3) niederohmig erfolgt.
13. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (2) sowohl zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes (F2) als auch zur Detektion von leitfähigen Materialien dient.
14. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspule (2) ein elektromagnetisches Feld (F3) erzeugt und eine Detektionsspule (10, 13) zur Detektion von leitfähigen Materialien (11 , 12) dient.
15. Sensoranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass um die Detektionsspule (13) ebenso eine weitere Spule (14) angeordnet ist.
16. Verfahren zum Beeinflussen des Messverhaltens einer Messspule (2), insbesondere unter Verwendung einer Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Messspule (2) durch einen Oszillator (4, 8) mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine um die Messspule (2) angeordnete weitere Spule (3) mittels eines Verstärkers (6) und/oder Phasenschiebers (7) mit einer Spannung beaufschlagt wird, die von der durch den Oszillator (4, 8) abgege- benen Wechselspannung abgeleitet ist, und dass durch die weitere Spule (3) die Abstrahlcharakteristik der Sensoranordnung (1) beeinflusst wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Abstrahlcharakteristik der Sensoranordnung (1) die Versorgungsspannung der weiteren Spule (3) verändert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Versorgungsspannung durch Verändern des Verstärkungsfaktors des Verstärkers (6) und/oder der Phasendifferenz des Phasenschiebers (7) durchgeführt wird.
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