METHOD OF COMPENSATING FOR TEMPERATURE-INDUCED ERRORS IN ALTERNATING CURRENT MEASUREMENT CIRCUITS, PARTICULARLY REMOTE CLEARANCE MEASUREMENT INSTRUMENTS, AND APPARATUS FOR CARRYING OUT THE METHOD

Abstract: 1. A method of compensating errors caused by temperature changes in A.C. measuring devices comprising measuring means with impedances, in particular for inductive distance measuring equipment with measuring coils forming part of a resonant circuit, characterized in that a constant current having a frequency far below the distance-measuring frequency is supplied to said measuring means additionally to said distance-measuring frequency, whereby a compensated signal (US ) being proportional to said distance is derived from an A.C. measuring signal (Ud ) corrected by correcting signal (Ukorr ) which in turn is achieved by a voltage (UT ) from the output of said measuring means.

Description: Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation von temperaturbedingten Messfehlern bei Wechselstrom-Messschaltungen gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Nach dem Wirbelstromprinzip arbeitende berührungslose Abstandsmessgeräte besitzen eine induktive Messspule, welche in einem gewissen Abstand zu einem metallischen Messobjekt angeordnet ist. Die mit einem Wechselstrom höherer Frequenz beschickte Messspule,welche#als Primärwicklung eines Transformators angesehen werden kann, induziert innerhalb des metallischen Messobjektes Wirbelströme, demzufolge das metallische Messobjekt der kurzgeschlossenen Sekundärwicklung des Transformators entspricht. Die Grösse der in dem Messobjekt induzierten Wirbelströme ist dabei abhängig von dem Abstand zwischen Messspule und MeBobjekt,so dass die Grösse des Wirbelstromes ein Mass für den Abstand der induktiv gekoppelten Elemente ist. Zur Messung der Wirbelstromverluste innerhalb der durch das Messobjekt gebildeten Sekundärwicklung ist die Messspule über eine Messleitung mit einem Kondensator verbunden und bildet mit demselben einen Resonanzkreis. Da die in dem Messobjekt induzierten Wirbelströme sich als Ohmsche Verluste niederschlagen, kann durch Messung der Güte des Resonanzkreises, d.h. also im wesentlichen durch Messung der Schwingungsamplitude, die Grösse der Wirbelströme und damit der gegenseitige Abstand der induktiv gekoppelten Elemente bestimmt werden. Während früher zur Erzielung höherer Induktivitätswerte und einer besseren Kraftlinienausrichtung in der Regel Messspulen mit einem einseitig offenen Ferritschalenkern verwendet wurden (siehe beispielsweise DE-OS 26 37 413), besteht heutzutage im Hinblick auf die Erzielung höherer Messgenauigkeiten die Tendenz, kernlose Luftspulen in Verbindung mit höheren Signalfrequenzen zu verwenden, weil einerseits dadurch die Eisenverluste des Ferritkerns zum Wegfall gebracht werden, während andererseits durch Ausnutzung des Hauteffektes die MeBebene im Bereich des Messobjektes genauer definierbar ist. Auf diese Weise lassen sich heutzutage Genauigkeiten der Abstandsmessung bis herunter zu 0,1 Promille in Abstandsbereichen zwischen 0 und 0,5mm und 0 und 100 mm je nach Grösse der verwendeten Messspule erreichen. Derartige berührungslose Abstandsmessgeräte werden dabei bei dynamischen Vorgängen zur Bestimmung von Schwingungen, Exzentrizitäten und Deformationen verschiedenster Maschinenteile ,insbesondere Walzen und Wellen, verwendet, während im Bezug auf statische Vorgänge eine Verwendung derselben beispielsweise in Fertigungsstrassen und bei der Endabnahme möglich ist Die heutzutage zur Verfügung stehenden induktiven Abstandsmessgeräte sind im Bezug auf ihre Messsonden auf einen Temperaturbereich zwischen -40 und +150 C ausgelegt. Es ist dabei einleuchtend, dass ein derart breiter Temperaturbereich zu nicht vernachlässigbaren Messfehlern führt, weil in Abhängigkeit der Temperatur der Ohmsche Widerstand nicht nur der die Primärwicklung bildenden Messspule,sondern auch der innerhalb des Messobjektes gebildete kurzgeschlossenen Sekundär wicklung verändert wird, wobei beide Faktoren die Güte des durch Messspule und Kondensator gebildeten Resonanzkreises beeinflussen. Um diese temperaturbedingten Messfehler korrigieren zu können, ist es bereits bekannt, im Bereich der Messspule Temperaturfühler in Form von Thermoelementen oder Hilfswicklungen vorzusehen, um auf diese Weise ein Temperatursignal abzuleiten. Derartige im Bereich der Messspule angeordnete Temperaturfühler haben jedoch den Nachteil, dass der Aufbau der Messsonde dadurch kompliziert wird, wobei gleichzeitig ein zusätzliches Messkabel notwendig wird. Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass unter Vermeidung zusätzlicher Elemente eine Kompensation von temperaturbedingten Messfehlern bei Wechselstrommessschaltungen insbesondere induktiven Abstandsrnessgeräten möglich ist. Erfindungsgemäss wird dies durch die im kennzeichnenden Teil des#Anspruches 1 aufgeführten Mer#kmale erreicht. Durch das zusätzliche Einspeisen von Gleichstrom oder einem niederfrequenten Wechselstrom in den Messkreis ergibt sich die Möglichkeit, einen Spannungswert zu bilden, welcher im wesentlichen proportional zum Ohmschen Widerstand der betreffenden Impedanz ist. Mit Hilfe dieses Spannungswertes lässt sich somit ein der Temperatur entsprechendes Korrektursignal ableiten, mit welchem das höherfrequente Wechselstromsignal korrigiert werden kann. Dieser Korrekturvorgang kann innerhalb der Wechselstrommess schaltung durchgeführt werden, so dass am Ausgang der Messschaltung ein von Temperatureinflüssen bereinigtes Messsignal abgegeben wird. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemässen Verfahrens sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich anhand der Unteransprüche. Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist, welche ein vereinfachtes Blockschaltbild eines induktiven Abstandsmessgerätes mit Kompensation von temperaturbedingten Mess fehlern zeigt. Gemäss der Fig. weist das induktive Abstandsmessgerät eine Gleichspannungsquelle 1 und einen Wechselstromgenerator 2 auf, welche über ein koaxiales Messkabel 3 eine als Luftspule ausgebildete Messspule 4 speisen. Die Messspule 4 ist über das Koaxial-Kabel 3 mit einem Kondensator 5 verbunden und bildet mit demselben einen Parallel-Resonanzkreis. In der Nähe der Messspule 4 befindet sich ein metallisches Messobjekt 6, dessen c Abstand d in Bezug auf die Messspule 4 gemessen werden soll. Auf der Ausgangsseite des durch die Messspule 4 und den Kondensator 5 gebildeten Resonanzkreises ist einerseits eine Signalaufbereitungseinheit 7 und andererseits ein Tiefpassfilter 8 mit einer daran angeschlossenen Korrektureinheit 9 vorgesehen. Der Ausgang des Tiefpassfilters 8 führt zusätzlich zu einer Ausgangsklemme lo,an welcher eine der Temperatur der Messspule 4 entsprechende Ausgangsspannung UT abnehmbar ist. Das Ausgangssignal der Signalaufbereitungseinheit 7 wird einerseits der Korrektureinheit 9 und andererseits einem Summierglied 11 zugeführt, welchem ebenfalls das Ausgangssignal der Korrektureinheit 9 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Summiergliedes 11 wird einer Ausgangsklemme 12 zugeführt, an welcher ein Spannungswert Us entsprechend einem temperaturkompensierten Abstandswert abnehmbar ist. Das Ausgangssignal des Summiergliedes lo wird fernerhin einer weiteren Signalaufbereitungseinheit 13 zugeführt, welcher ebenfalls das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 8 zugeführt ist. Die Signalaufbereitungseinheit 13 ist mit einer Ausgangsklemme 14 verbunden, an welcher ein korrigiertes Temperatursignal UT entsprechend der Temperatur des Messobjektes 6 abnehmbar ist. Die Funktionsweise des beschriebenen induktiven Abstandsmessgerätes ist wie folgt: Der Wechselstromgenerator 2 besitzt einen hohen Innenwiderstand und speist somit den aus den Elementen 4 und .5 bestehenden Schwingkreis mit konstantem Wechselstrom mit einer Frequenz von etwa 1 Megaherz.Aufgrund des innerhalb der Messspule 4 gebildeten Wechselmagnetfeldes werden innerhalb des Messobjektes 6 Wirbelströme induziert, so dass das Messobjekt 6 als Sekundärwicklung eines Transformators wirkt, wobei die Primärwicklung durch die Messspule 4 gebildet ist. Entsprechend dem Abstand d zwischen Messobjekt 6 und Messspule 4 ändert sich die Grösse der in dem Messobjekt 6 induzierten Wechselströme, welche zu Ohmschen Verlusten innerhalb des Messobjektes 6 führen. Diese Ohmschen Verluste innerhalb des Messobjektes 6 zusammen mit den Ohmschen Verlusten inner halb der Messspule 4 und des Messkabels 3 bedämpfen den durch die Messspule 4 und den Kondensator 5 gebildeten Parallel-Resonanzkreis, so dass die am Ausgang des durch die Elemente 4 und 5 gebildeten Resonanzkreises auftretende Wechselspannung UD ein Mass für den Abstand d zwischen Messobjekt 6 und Messspule 4 ist. Um eine Kompensation der temperaturbedingten Messfehler durchführen zu können, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Gleichstromquelle 1 vorgesehen, die aufgrund ihres hochohmigen Innenwiderstandes einen konstanten Gleichstrom an den durch die Messspule 4 und den Kondensator 5 gebildeten Resonanzkreis abgibt. Aufgrund des Ohmschen Widerstandes der Messspule 4 wird an derselben ein Gleichspannungswert UT gebildet, der über den Tiefpassfilter 8 hinweg an der Ausgangsklemme lo abgenommen werden kann. Dieser Gleichspannungswert UT entspricht dabei dem Ohmschen Widerstand der Messspule 4 und ist somit ein Mass für die Temperatur der Messspule 4. Der Spannungswert UT wird fernerhin der Korrektur- einheit 9 zugeführt, die eine Signalumsetzung in ein Korrektursignal g Xurchführt. Auf der anderen Seite wird das von dem Resonanzkreis abgegebene Wechselstromsignal UD der Signalaufbereitungseinheit 7 zugeführt, in welcher eine Demodulation des Signals sowie eine Linearisierung in Bezug auf den Abstand d vorgenommen wird. Das auf diese Weise gebildete abstandslinearisierte Ausgangssignal UL wird dem Summierglied 11 zugeführt, welchem ebenfalls das Korrektursignal #0#r Korrektureinheit 9 zugeführt ist. Auf diese Weise wird dann ein Abstandssignal U5 gebildet, das an der Ausgangsklemme 12 verfügbar ist. Im Hinblick auf die Tatsache, dass das Messobjekt 6 und die Messspule 4 in der Regel aus unterschiedlichen Materialien bestehen - bei dem Messobjekt 6 handelt es sich in der Regel um Eisen, während die Messspule 4 aus Kupfer besteht - ¯die Elemente 4 und 6 somit unterschiedliche Temperaturkoeffizienten besitzen, während auf der anderen Seite das Verhältnis zwischen primär- und sekundärseitig innerhalb der Elemente 4 und.6 auftretenden Verluste sich mit zunehmendem Abstand verändert, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung. zusätzlich das Ausgangssignal der Signalaufbereitungseinheit 7 der Korrektureinheit 9 zugeführt, damit bei der Bildung des Korrektursignals U die Abstandsabhängigkeit noch berücksichtigt werden kann. Innerhalb der Korrektureinheit 9 werden somit zur Bildung des Korrektursignals Korr sowohl das Temperatursignal UT wie auch das linearisierte Abstandssignal UL verarbeitet. In vielen Fällen besteht der Wunsch,mit Hilfe einer zusätz I-:j#hen Schaltung auch eine Messgrösse zu bilden, welche der Temperatur des Messobjektes 6 entspricht. Bei dem Messobjekt 6 handelt es sich in der Regel um ein relativ. grossvolumiges Bauteil mit grosser thermischer Kapazität, während die Messspule 4 sehr klein ist und demzufolge eine geringe thermische Kapazität besitzt. Die Messspule 4 ist fernerhin weitgehend thermisch isoliert aufgehängt, so dass sie über die bestehende thermische Kopplung in etwa die Temperatur des Messobjektes 6 annimmt. Bei Messobjekten 6,deren Temperatur stark ober- oder unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, hängt die Grösse der Temperaturannäherung der Messspule 4 an die Temperatur des Messobjektes 6 von dem Abstand d ab. Um somit die Temperatur des Messobjektes 6 bestimmen zu können, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Signalaufbereitungseinheit 13 vorgesehen, der neben dem Spannungswert UT entsprechend der Temperatur der Messspule 4 zusätzlich das Abstandssignal Us zugeführt wird, so dass ein abstandskorrigiertes Temperatursignal UT gebildet wird, welches der Temperatur des Messobjektes 6 entspricht. Es erscheint einleuchtend, dass anstelle des von der Gleichstromquelle 1 abgegebenen Gleichspannungssignals konstanten Stromwertes zur Bildung des Rorrektursignals UgOrr ebenfalls ein niederfrequentes Signal verwendet werden kann, in welchem Fall die Einheit 1 als niederfrequente Signalquelle ausgebildet sein muss. Die Abgabe eines konstanten Stromwertes lässt sich dabei durch Vorsehen eines hohen Innenwiderstandes oder durch Einsetzen eines Vorwiderstandes im Ausgangskreis der Einheit 1 erreichen.

Claims: Verfahren zur Kompensation von temperaturbedingten Mess fehlern bei Wechselstrom-#ess schaltungen, insbesondere Abstandsmessgeräten sowie Vorrichtung zur Durchführung - des.Verfahrens Patentansprüche 1. Verfahren zur Kompensation von temperaturbedingten Mess fehlern bei Wechselstrommessschaltungen, welche Messorgane mit Ohmschen und/oder induktiven Impedanzen aufweisen, insbesondere für induktive Abstandsmessgeräte mit Teil eines Resonanzkreises bildenden Messspulen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass durch die Ohmschen und/oder induktiven Impedanzen zusätzlich ein gleich- oder niederfrequentes Signal konstanten Stromwertes geleitet wird und dass anhand des auf diese Weise an der betref fenden Impedanz gebildeten Spannungswertes (UT) ein Korrektursignal (U ) für das wechselstrommässige Korr Messsignal (Ud) abgeleitet wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e -i c h n e t, dass das Messsignal (Ud) sowie das Temperatursignal (UT) nach entsprechender Umformung gemeinsam zur Bildung des Korrektursignals (\ ohr) für das Messsignal (Ud) verwendet werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k # n n z e i c h n e t, dass bei Einsatz desselben bei einer induktiven Abstandsmessung das korrigierte Abstands signal (U5) sowie das der Spulentemperatur entsprechende Temperatursignal (UT) gemeinsam zur Bildung eines der Mess obj ekttemperatur entsprechenden korrigierten Tempera tursignals ( ,) verwendet werden. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Teil eines Schwingkreises (4, 5) bildende Messspule (4) speiseseitig mit einem höherfrequenten Wechselstromgenerator (2) sowie einer gleich- oder nieder frequenten Stromquelle (1) verbunden ist, während aus gangsseitig neben einer Signalaufbereitungseinheit 7) für das abstandsabhängige Wechselstromsignal (Ud) über ein Tiefpassfilter (8) hinweg eine Korrektureinheit (9) angeordnet ist, deren Korrektursignal ( < orr) einem ausgangsseitig von der Signalaufbereitungseinheit (7) angeordneten Summierglied (11) zugeführt ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Korrektureinheit (9) zu sätzlich das Ausgangssignal (UL) der Signalaufbereitungs einheit (7) zugeführt ist. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass zusätzlich eine weitere Signal aufbereitungseinheit (13) vorgesehen ist, welcher das von dem Tiefpassfilter (8) abgegebene Temperatursignal (UT) sowie das von dem Summierglied (11) abgegebene linearisierte Abstandssignal (U,) zugeführt sind.

Inventors: HRUBES, FRANZ
Applicants: MICRO-EPSILON MESSTECHNIK GMBH & CO. KOMMANDITGESELLSCHAFT
Application year: 1980
Main classification: G01D3
IPC codes: G01B7, G01D3, G01R1