WO2008151597A1 - Inductive sensor arrangement and method for influencing the measuring behaviour of a measurement coil - Google Patents
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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
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Abstract
Description
INDUKTIV ARBEITENDE SENSORANORDNUNG UND VERFAHREN ZUM BEEINFLUSSEN DES MESSVERHALTENS INDUCTIVE WORKING SENSOR ARRANGEMENT AND METHOD FOR INFLUENCING THE MEASUREMENT BEHAVIOR
EINER MESSSPULEA MEASURING SPOOL
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.The invention relates to an inductively operating sensor arrangement with a measuring coil, wherein an oscillator supplies the measuring coil with an alternating voltage. The invention further relates to a method for influencing the measurement behavior of a measuring coil, wherein the measuring coil is acted upon by an oscillator with an alternating voltage.
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.Inductive sensor arrangements play an important role in metrology. They can be used anywhere where electrically and / or magnetically conductive objects are to be detected. If such objects are in the measuring range of an inductive sensor, they have an effect on the sensor. The reaction can be used as a measuring signal. The most important fields of application are distance or proximity sensors as well as distance measuring sensors.
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.There are basically two different versions of inductive sensors known. In one embodiment, an electromagnetic field is generated by a coil, which induces eddy currents in a conductive object located in the measuring range of the sensor. These eddy currents affect the impedance of the coil (Lenz's rule). Thereby, 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.
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 dasAnother measuring principle uses two separate coils, one coil exciting an electromagnetic field and the second coil detecting the field. A conductive measurement object located in the measurement field of this arrangement influences the coupling factor between the exciter coil and the detection coil. If the excitation and detection coils are located on the same side relative to the measurement object, the coupling between the coils increases. Such a system is known for example from DE 195 23 519 A1 or JP 57200803 A. On the other hand, if the measurement object is located between the excitation coil and the detection coil, this reduces
BESTATIGUNGSKOPIE Messobjekt die Kopplung. Die Veränderung der Kopplung kann messtechnisch er- fasst und sowohl für Abstands- als auch Wegmesssensoren herangezogen werden.BESTATIGUNGSKOPIE DUT the coupling. The change in the coupling can be detected metrologically and used both for distance and distance measuring sensors.
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.A problem with the known sensor arrangements is that the sensors have a relatively high sensitivity to objects which approach the sensor laterally. This problem is addressed in practice with different approaches. According to one approach, the measuring coil is shielded to the rear and laterally by a metallic housing. By this measure, the measuring coil is influenced only by approaching an object from the front of the sensor front. The problem with this approach, however, is that the quality of the coil is reduced compared to an air coil, since the impedance is already changed by the shielding. Thus, the sensitivity is reduced to the approach of a DUT, which is reflected in a smaller usable measurement range and a lower resolution of the sensor compared to an air coil of the same size.
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.According to another approach known from practice, the coils are designed with a magnetic core. Due to the core, the coils have a higher attainable quality compared to air-core coils and thus greater sensitivity. Depending on the shape of the core, a bundling of the electromagnetic field is additionally achieved. A relative insensitivity to lateral approaches provides an embodiment of the core as a shell core.
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.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). In addition, 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 (over about 30 mm) are difficult or impossible to realize because the production of the cores is difficult and extremely expensive. For detecting errors and noise, 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.
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.The present invention is therefore based on the object, a sensor arrangement and a method of the type mentioned in such a way and further, that the measurement behavior of inductive sensor assemblies is improved and in particular a reduction in sensitivity to lateral approaches is achieved.
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.According to the invention the above object is solved by the features of claim 1. Thereafter, the sensor arrangement in question is characterized in that a further coil is arranged around the measuring coil and that the further coil is connected to an amplifier, via which the further coil can be fed with a voltage derived from the alternating voltage of the oscillator voltage.
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.In procedural terms, the above object is achieved by the features of claim 16. Thereafter, the method in question is characterized in that arranged around the measuring coil further coil is acted upon by means of an amplifier and / or phase shifter with a voltage which is derived from the output by the oscillator AC voltage, and that by the further coil the radiation characteristic the sensor arrangement is influenced.
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.According to the invention, it has first been recognized that the measurement behavior of an inductive sensor arrangement can also be positively influenced without encapsulation of the sensor coil and without the use of magnetic cores. Instead, comparatively simple measures which interfere less strongly with the behavior of the sensor arrangement are sufficient. For this purpose, a further coil is arranged around the actual measuring coil, which at least partially surrounds the measuring coil. The measuring behavior of this extended measuring arrangement can be improved in a surprisingly simple manner by feeding the further coil with a voltage which is derived from the alternating voltage supplying the measuring coil. For this purpose, the output from the oscillator AC voltage is tapped and fed via an amplifier of the other coil. By this measure, a change in the impedance of the other coil has a very small or no influence on the behavior of the measuring coil. The measuring coil, however, can be operated independently of the other coil. However, the fields of the measuring coil and the other coil are superimposed in such a way that an active shielding of the measuring coil against side influences is achieved. In addition, the use of the additional coil and its special feed means that the measuring field is emitted in a much more concentrated manner than conventional sensor arrangements. As a result, the local resolution of the coil arrangement is further increased.
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.To increase the flexibility of the application, a phase shifter could be placed before or after the amplifier. As a result, it is possible to influence the phase position between the alternating voltage supplying the measuring coil and the further coil, whereby the superimposition of the fields delivered by the two coils can be controlled. By selecting the phase position between the two voltages, therefore, the characteristic of the radiated measuring field can be influenced to a great extent.
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.Preferably, the measuring coil and the further coil are configured such that their winding axes are substantially parallel to each other. Preferably, the two winding axes substantially coincide, whereby the two coils are formed coaxially. It is essentially irrelevant how the two coils are constructed. Thus, the coils may be formed by a wire winding. On the other hand, a conductor track applied to a carrier could form a coil. For this purpose, a number of embodiments is known from practice.
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.The coils used could be designed as air coils, that is, there is no magnetic core disposed inside the coil. As a result, the sensor arrangement could also be used in environments with magnetic interference fields. An influence of the core by the interference fields is omitted. To ensure a coordinated superposition of the magnetic fields of the measuring coil and the further coil, the two coils could be arranged such that they terminate substantially flush in the measuring direction.
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°.The amplifier, which provides the supply voltage for the further coil, could both amplify (gain greater than 1) and possibly attenuate the gain to be amplified (gain less than 1). Also, an impedance conversion (gain equal to 1) could be realized. Similarly, the phase shifter could be used to different degrees of phase shifts. Phase shifts of 0 ° can be realized as well as shifts of nearly 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.Preferably, the amplifier is controllable in its gain, whereby the gain factor can be adjusted depending on the application situation. An optionally present in addition to the amplifier phase shifter could also be designed controllable. This configuration makes it possible to influence the individual magnetic fields and the total field output in a particularly flexible manner.
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.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. For this purpose, a suitable structural design of the coils can be used. On the other hand, by a suitable choice of 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.
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.The oscillator supplying the measuring coil could deliver a fixed-frequency voltage. In addition, the voltage could have a fixed amplitude. Corresponding oscillators are well known in practice.
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.Alternatively, the oscillator could be designed to be free-swinging. In this case, 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.
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.The voltage that is used to derive the supply voltage for the other coil, could be tapped at various points. On the one hand, the tapping off of the voltage could take place after a coupling impedance, via which the measuring coil is connected to the oscillator. As a result, the supply voltage of the other coil follows the supply voltage with a defined phase position. However, the voltage used to derive the supply voltage of the further coil could also be tapped immediately after the oscillator.
Vorzugsweise erfolgt die Einspeisung der verstärkten und gegebenenfalls phasenverschobenen Spannung in die weitere Spule niederohmig. Dabei liegt die Speiseimpedanz vorzugsweise nahe 0 Ω.Preferably, the supply of the amplified and possibly phase-shifted voltage in the further coil is low impedance. The feed impedance is preferably close to 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.On the one hand, 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.
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.On the other hand, the sensor arrangement could be designed in such a way that the measuring coil generates an electromagnetic field in conjunction with the further coil and in addition a detection coil is provided. The detection coil would then serve to detect conductive materials. In this case, the coupling factor between the measuring coil and the detection coil would be determined.
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.To achieve a still further improved spatial resolution of the sensor arrangement, 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. When operating such a sensor arrangement, for example the one described above, 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. For this purpose, 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.
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.For controlling the emission characteristic of the sensor arrangement, the supply voltage of the further coil is preferably influenced. The change in the supply voltage could be to influence the gain of the amplifier. Additionally or alternatively, the phase shift caused by the phase shifter could be influenced. As a result, the radiation characteristic of the measuring coil can be influenced in a wide range. However, the gain and / or the phase shift could also be fixed. Although the radiation characteristic can not be changed in this way, it can be set according to the specifications of the application case during the construction of the system.
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 zeigenThere are now various possibilities for designing and developing the teaching of the present invention in an advantageous manner. For this purpose, on the one hand to the claims 1 and 16 subordinate claims and on the other hand to refer to the following explanation of preferred embodiments of the invention with reference to the drawings. In conjunction with the explanation of the preferred embodiments of the invention with reference to the drawings, also generally preferred embodiments and developments of the teaching are explained. In the drawing show
Fig. 1 einen Schnitt durch eine in der erfindungsgemäßen Sensoranordnung einsetzbaren Messspule mit einer weiteren Spule sowie eine Frontalansicht der Sensoranordnung,1 shows a section through a usable in the sensor assembly according to the invention measuring coil with another coil and a frontal view of the sensor assembly,
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,2 shows a sensor arrangement according to the invention, in which a tap of the voltage to be amplified takes place after a coupling impedance, 3 shows a diagram of a measurement of the distance of a measuring coil to a measuring object using a sensor arrangement known from practice,
Fig. 4 ein Diagramm einer Abstandsmessung entsprechend der Fig. 3 zugrunde liegenden Messung jedoch unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung,4 is a diagram of a distance measurement corresponding to the measurement on which FIG. 3 is based, however, using a sensor arrangement according to the invention, FIG.
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der ein Abgriff der zu verstärkenden Spannung vor einer Kopplungsimpedanz erfolgt,5 shows a sensor arrangement according to the invention, in which a tap of the voltage to be amplified takes place before a coupling impedance,
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der ein Abgriff der zu verstärkenden Spannung unmittelbar nach einem Oszillator erfolgt,6 shows a sensor arrangement according to the invention, in which a tap of the voltage to be amplified takes place immediately after an oscillator,
Fig. 7 eine aus dem Stand der Technik bekannte Sensoranordnung mit getrennter Erreger- und Detektionsspule, die ein massives Messobjekt de- tektiert,FIG. 7 shows a sensor arrangement known from the prior art with a separate excitation and detection coil which detects a massive object to be measured, FIG.
Fig. 8 die Sensoranordnung gemäß Fig. 7, mit der ein Drahtgitter als Messobjekt detektiert wird,8 shows the sensor arrangement according to FIG. 7, with which a wire grid is detected as the object to be measured, FIG.
Fig. 9 ein Abstandsdiagramm, das mit einer Sensoranordnung gemäß Fig. 7 oder Fig. 8 gewonnen wurde,9 is a distance diagram obtained with a sensor arrangement according to FIG. 7 or FIG. 8, FIG.
Fig. 10 eine erfindungsgemäße Sensoranordnung, die eine getrennte Erregerund Detektionsspule aufweist,10 shows a sensor arrangement according to the invention, which has a separate exciter and detection coil,
Fig. 11 ein Abstandsdiagramm, das mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung gemäß Fig. 10 gewonnen wurde,11 is a distance diagram obtained with a sensor arrangement according to the invention shown in FIG. 10, FIG.
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 F1.12 shows a sensor arrangement according to the invention, in which both the exciter and the detection coil have an additional coil. 1 shows a sensor arrangement 1, which consists of a measuring coil 2 and a further coil 3 arranged coaxially therewith. The measuring coil 2 and the further coil 3 are designed such that the measuring coil 2 can be accommodated in the interior of the further coil 3. In this case, the measuring coil 2 and the further coil 3 are arranged such that the two coils terminate flush in the measuring direction (directed to the right in FIG. 1). The two coils 2, 3 are configured as air coils, wherein the further coil 3 has more windings than the measuring coil 3. Such a sensor arrangement 1 is used in the described in connection with the further figures embodiments of the invention. 2 shows a first exemplary embodiment of the invention, in which the measuring coil 2 is used both for generating an electromagnetic field and for detecting conductive materials in the measuring range of the measuring coil 2. The measuring coil 2 is fed by an oscillator 4 via a coupling impedance 5 with an alternating voltage U 1 . The oscillator 4 outputs to an AC voltage U 1 with fixed frequency and amplitude. As a result, the measuring coil 2 generates an electromagnetic field F 1 .
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.To feed the other coil 3 with a derived from the supply voltage U 1 of the measuring coil 2 voltage U 2 , the voltage U 1 is tapped after the coupling impedance 5 and fed to an amplifier 6 with adjustable gain. A phase shifter 7 arranged downstream of the amplifier 6 can influence the phase position. This can cause an adjustable phase shift (under certain circumstances also equal to zero). The voltage U 2 generated in this way is fed to the further coil 3 at low impedance (feed impedance as close as possible to 0 Ω). As a result, this generates an electromagnetic field F 2 , which is superimposed on the field F 1 of the measuring coil 2. Depending on the amplitude and phase position, gains or reductions in the field strength result in the field area. The fields F 1 and F 2 will automatically have the same frequency.
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.The amplitude and phase ratio of the voltages U 1 and U 2 at the two coils 2, 3 remains constant when approaching a DUT, since the voltage U 2 at the other coil 3 is derived directly from the voltage U 1 at the measuring coil 2. As soon as the field F 1 is changed by a conductive object in its measuring range, the field F 2 changes accordingly. A conductive object, which is largely only in the field area F 2 , but has no or only a small influence on the impedance - and thus on the measurement signal - the measuring coil 2. The field of the other coil 3 shields the measuring coil 2 thus by superimposing against lateral influences. The shielding effect, and the field focusing of the field F 1 can be influenced U 2 for the further coil 3 by adjusting the amplitude and the phase position of the voltage. 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. With 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.
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.As an example of the effectiveness of the field focussing achievable by the sensor arrangement 1 according to the invention, FIGS. 3 and 4 are considered. Both figures each show diagrams of distance measurements in which an inductive sensor has been moved past a metal lid located on a container. The lid has a deflection due to a negative pressure in the container. FIGS. 3 and 4 each show a series of measurements made at different pitches. The ordinate of the diagrams shows the distance of the measuring coil to the cover, while the abscissa represents the displacement of the sensor.
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.3 shows a distance diagram of a measurement taken with a sensor arrangement known from practice with only a simple measuring coil. The deflection of the lid is not visible even at a close basic distance. The signal is much wider than the cover diameter due to the wide field of view.
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.In contrast, 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. Another embodiment is shown in FIG. 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
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.The measuring coil 2 is in turn fed by an oscillator 4 via a coupling impedance 5 with a fixed frequency and amplitude. The output by the oscillator 4 AC voltage is tapped via an amplifier 6 with adjustable gain and with (or without) phase shift via a phase shifter 7 low impedance (feed impedance as close as possible 0 Ω) fed into the further coil 3. As a result, a second electromagnetic field F 2 is generated, which is superimposed on the field F 1 automatically with the same frequency. However, the amplitude and phase relationship of the voltages at the two coils does not remain constant when approaching a measuring object to the measuring coil 2-in contrast to the first exemplary embodiment. The voltage U 2 at the other coil 3 is constant by the tap directly after the oscillator 4 and does not change with changing the impedance of the measuring coil.
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.A conductive object, which is largely only in the field region F 2 , has no or only a small influence on the impedance of the coil and thus on the measurement signal. The field of the other coil 3 largely shields the measuring coil 2 by superposition of the fields against lateral influences. The shielding effect can be influenced by the adjustment of the amplitude and the phase position and thus the strength of the field F 2 . Thus, a bundling of the field F 1 results as in the first embodiment, however, with different effects on the phase and the amplitude of the measuring coil. 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.Fig. 6 shows a third embodiment of the invention. Again, the circuit diagram largely corresponds to the circuit diagram of FIG. 2. However, in this exemplary embodiment, the oscillator is designed as a free-running oscillator 8. This can be formed for example by a resonant circuit consisting of the measuring coil 2 and a capacitor, not shown, connected in parallel. As a result, not only the impedance of the measuring coil 2, but also the frequency of the exciting AC voltage changes when approaching a conductive object. The alternating voltage at the measuring coil 2, which generates the electromagnetic field F 1 , is tapped via an amplifier 6 with adjustable gain, and with (or without) phase shift via a phase shifter 7 in the further coil 3 low impedance (feed impedance as close as possible 0 Ω) fed. Thus, a second electromagnetic field F 2 is generated, which is superimposed on the field F 1 automatically with the same frequency. The amplitude and phase relationship of the voltages at the two coils 2, 3 remains constant, since the voltage U 2 at the further coil 3 is derived directly from the voltage U 1 at the measuring coil 2. As soon as the field F 1 is changed by a conductive object in its measuring range, the field F 2 changes accordingly. However, a conductive object, which is largely only in the field region F 2 , has no or only a small influence on the impedance of the measuring coil 2 and thus on the measuring signal. The field of the other coil 3 shields the measuring coil 2 by superimposing against lateral influences. The shielding effect and the field concentration of the field F 1 can be influenced by adjusting the amplitude and the phase position at the further coil 3 and thus the field F 2 .
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.FIGS. 7 to 12 relate to a system with a separate excitation and detection coil. Here, FIGS. 7 to 9 show the conditions which are shown in a system known from practice. A free-running oscillator 8, which contains, inter alia, a measuring coil 9, feeds the measuring coil 9 with an alternating voltage U 1 . 9 thereby generates the measuring coil, an electromagnetic field F 3, which is radiated toward a detection coil 10 degrees. The distance between the exciter and the detection coil can be a multiple of the coil diameter, wherein the diameter of the two coils 9, 10 are equal. However, the coils may also have different diameters.
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.A measuring object 11 is moved between the two coils 9, 10. Depending on the position x of the measuring object 11, the coupling between the exciter and the detection coil is changed. Therefore, the voltage U Θ generated by the detection coil 10 is dependent on the position x. In another application, this effect can be used, for example, to make a statement about the dimensions of a small or a narrow object (for example, a wire). FIG. 8 essentially corresponds to FIG. 7. However, FIG. 8 does not show a solid measurement object but a measurement object 12 consisting of individual wires lying close to one another.
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.9 shows a diagram which reproduces the voltage U e in the detection coil 10 as a function of the position x of the measurement object 11, 12. In this case, the same diagrams arise both in the case of the massive measurement object 11 and in the case of the measurement object 12 consisting of wires. The individual wires can not be detected separately because of the very wide measuring field in the arrangement known from practice. For this purpose, the Ortsauf solution of the system is too low.
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.FIGS. 10 to 12 relate to a sensor arrangement according to the invention. FIG. 10 shows a fourth exemplary embodiment of the invention, in which the excitation coil has, in addition to a measuring coil 2, a further coil 3. The measuring coil 2 is fed by an oscillator 4 with an alternating voltage of fixed frequency and amplitude. The measuring coil 2 thereby emits an electromagnetic field F 3 . The further coil is supplied with a voltage which is derived by means of an amplifier 6 with adjustable gain and a phase shifter 7 with adjustable phase shift from the supply voltage of the measuring coil 2. The other coil 3 thereby generates an electromagnetic field F 4, the field F 3 superimposed. These superimposed fields are emitted in the direction of an opposite simple detection coil 10, which generates a voltage U Θ as a result of the alternating field. The distance between the excitation coil arrangement (formed by the measuring coil 2 and the further coil 3) and the detection coil 10 can be a multiple of the coil diameter of the measuring coil 2 or of the detection coil 10.
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.Between the excitation coil arrangement and the detection coil 10, in turn, a measuring object 12 consisting of individual wires lying close to one another is moved past. The measurement object 12 influences the coupling between the excitation coil arrangement and the detection coil 10. By suitable choice of the coil dimensions and the amplitude and phase relationships of the voltages on the excitation coil arrangement, the voltage U 0 can be adjusted so that the spatial resolution of the arrangement is substantially better than just with an excitation coil. FIG. 11 shows the profile of the voltage U θ which occurs when the measuring object 12 is moved in the x-direction, ie substantially perpendicular to the coil axes. It is clear that the individual wires of the test object 12 are well distinguishable from each other and thus even their distance to each other can be determined. The spatial resolution is thus significantly improved in comparison to the arrangement known from practice.
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.An even further improvement is provided by an arrangement in which a coil 14 is also assigned to a detection coil 13. Such a circuit is shown in FIG. 12. The circuit corresponds (apart from the further coil 14 to the detection coil 13) of the circuit shown in Fig. 10. This results in the detection coil 13 and the other coil 14 different receiving voltages, which allow by suitable combination of the summation with the aid of an adjustable amplifier and a phase shifter an even better spatial resolution than the circuit of FIG.
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. Finally, it should be emphasized that the previously purely arbitrarily chosen embodiments serve only to discuss the teaching of the invention, but this does not limit to the embodiments.
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