METHOD AND APPARATUS FOR INCREASING THE SENSITIVITY OF CONTACTLESS DISPLACEMENT SENSORS

Abstract: These sensors comprise at least one sensing coil. The at least one coil is exposed over its effective width extending in the direction of the displacement to be measured at the same time at least to the surface action both of an electrically highly conductive non-ferromagnetic but preferably dia- or paramagnetic substance and of a ferromagnetic highly permeable substance, in such a manner that the displacement to be sensed becomes determinable by simultaneous application of the inductive and of the eddy current principle to the at least one sensing coil. <IMAGE>

Description: Verfahren und Vorrichtung zur Messempfindlichkeits- erhöhung von berührungsfrei arbeitenden Wegmesssensoren Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung zur Me ssempfindlichkeitse rhöhung von berührungsfrei arbeitenden Wegmess-Sensoren nach der Gattung des Hauptanspruchs bzw. des ersten Vorrichtungsanspruchs. Es ist bekannt, zur Wegmessung, auch zur Bestimmung von mechanischen Verschiebungen o. dgl., unter anderen Messverfahren auch nach dem Wirbelstromprinzip bzw. nach dem induktiven Prinzip arbeitende Messsysteme einzusetzen. Dabei beruht das Wirbelstromprinzip darauf, dass einer elektrischen Wicklung oder Spule gegenüberlie gend eine elektrisch gut leitende Fläche angeordnet ist (Grundprinzip), wobei u. a. der Abstand der Fläche zu den Spulenwindungen und/oder der jeweilige Überdeckungsbereich massgebend ist für die Spannungsänderung, die sich bei Speisung der Spule mit einem entsprechend hochfrequenten Wechselstrom an den Spulenenden ergibt. Im folgenden wird anhand der Darstellungen in den Fig. 1, 2 und 3 (Fig. 3 zeigt in Form eines Diagramms den Spannungsverlauf über dem Abstand der jeweils wirksamen Fläche bzw. dem Über- deckungsbereich) das Grundprinzip der Wirbelstrommessung sowie des induktiven Messverfahrens erläutert. Betrachtet man zunächst die Abstands- oder Wegmessung nach dem Wirbelstromprinzip bei einem praktischen Ausführungsbeispiel, welches in den Fig. 1 und 2 jeweils in unterschiedlichen Positionen P1 und P2 dargestellt ist - ein Sensorkern beispielsweise in Form einer abgesetzten Kolbenstange 11 bewegt sich mit seinem verdickten Bereich mehr oder weniger stark in das Innere einer ihn umgebenden ringförmigen Spule 10 -, dann ergibt sich anfänglich entsprechend dem Kurvenverlauf I in Fig. 3 eine hohe Ausgangs- oder Messspannung U deren Grösse von der Höhe der an der Spule 10 anliegenden Spannung bestimmt wird. Der Abstand r zwischen der Spule und der von verjüngten Kolbenstangenteil herrührenden Metalloberfläche ist gross und es bilden sich nur geringe Wirbelströme aus. Taucht die Kolbenstange 11 mit ihrem verdickten Teil lla zunehmend tiefer in die Spule ein (bis zur Position P2 in Fig. 2), dann vergrössert sich der gegenseitige Überdeckungsbereich zunehmend - der Abstand wird verringert - und es kommt zu einer wesentlich stärkeren Wirbelstromausbildung, zu entsprechend grösseren Verlusten und einer starken Induktivitätsverminderung der Spule, so dass die Höhe der anliegenden Messspannung abnimmt und sich insgesamt durch den Wirbelstrom effekt der in Fig. 3 dargestellte Messspannungsverlauf (gestrichelte Kurve) ergibt. Betrachtet man unter vergleichbaren Voraussetzungen - praktisches Ausführungsbeispiel wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt; die Kolbenstange 11 besteht insbesondere in ihrem verdickten Teil aus permeablem, ferromagnetischem Material - jetzt das induktive Messprinzip, dann ergibt sich für dieses ein Kurvenverlauf entsprechend II in Fig. 3, da sich bekanntermassen die Spuleninduktivität erhöht, wenn in diese der Sensorkern lla zunehmend eintaucht. Die Spannungserhöhung wird umso grösser, je grösser der Kerndurchmesser ist, daher steigt die Messspannung mit stärker werdendem Durchmesser bzw. mit anwachsendem Über deckungsbereich an. In diesem Zusammenhang ist bekannt, bei den jeweiligen Messverfahren sorgfältig darauf zu achten, dass das jeweils andere Messverfahren keinen oder nur einen sehr geringen Einfluss hat, d.h. man verringert durch geeignete Auswahl der Parameter (Material, Trägerfrequenz, Spulenform) den Wirbel stromeffekt bei induktiven Messverfahren beispielsweise oder eliminiert diesen völlig. Solche Massnahmen sind auch erforderlich, da entsprechend der Diagrammdarstellung der Fig. 3 das jeweils andere Messverfahren die Messspannungsänderung des verwendeten Messverfahrens relativiert, sich also auf dieses nivellierend auswirkt. Vorteile der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei berührungsfrei arbeitenden elektronischen oder elektrischen We gmesssensoren die Empfindlichkeit über die sich aus der jeweiligen Benutzung des Wirbelstromprinzips oder des induktiven Prinzips ergebenden Möglichkeiten hinaus drastisch zu erhöhen. Das erfindungsgemässe Verfahren bzw. die erfindungsgemässe Vorrichtung löst diese Aufgabe jeweils mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. des ersten Vorrichtungsanspruchs und haben den Vorteil, dass durch kombiniertes und gleichzeitiges Messen nach dem induktiven Messprinzip und dem Wirbelstrommessprinzip mit Hilfe mindestens einer, stets auf beide Messprinzipien reagierenden Sensorspule eine beträchtliche Empfindlichkeitserhöhung insgesamt im Sinne einer synergistischen Beitragsbildung durch beide Messprinzipien erzielt werden kann. Vorteilhaft ist ferner, dass das erfindungsgemässe Messprinzip die Wegoder Verschiebungsmessung von im Durchmesser abgesetzten als auch von über den Verschiebeweg einen konstanten oder nahezu konstanten Durchmesser aufweisenden Sensorkernen oder Kolbenstangen ermöglicht. Dabei kann die Unterteilung des Sensorkerns in einen para- oder diamagnetischen, jedoch elektrisch gut leitenden und in einen ferromagnetischen Bereich auch durch Auflegen geeigneter Materialien in Form von Folien o. dgl. auf den Sensorkern oder, allgemein gesagt auf das Element durchgeführt werden, welches den zu messenden Weg zurücklegt. Ein weiterer Vorteil bei vorlieE,ender Erfindung besteht darin, dass neben der erheblich grösseren Empfindlichkeit auch ein nur sehr geringer Fehlereinfluss bei radialen Sensorkernbewe gungen - Auslenkungen senkrecht zur Messrichtung - auftritt, da sich hierdurch hervorgerufene Spannungsänderungen in der Spule, jedenfalls teilweise, sofort kompensieren. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemässen Messprinzips möglich. Besonders vorteilhaft ist wegen der durch die erhöhte Empfindlichkeit bewirkten Vergrösserung des Auflösungsvermögens auch die Möglichkeit, eine Verschiebebewegung von Sensorkernen in kleinen und kleinsten Wegeinheiten digital zu erfassen. In einer Ausgestaltung der Erfindung kann anstelle einer ringförmigen Sensorspule schliesslich auch eine spiralförmig gewickelte Flachspule Verwendung finden, die das die Verschiebung durchführende Element (Sensorkern) lediglich einseitig erfasst. Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fixe;. 1 bis 3 den bekannten Stand der Technik angebende Schaubilder, und zwar Fig. 1 schematisch eine erste Relativposition zwischen Sensorkern und Messspule, Fig. 2 eine zweite Relativposition zwischen Sensorkern und Messspule und die Fig. 3 in Form eines Diagramms den Messspannungsverlauf, der sich bei Verschiebung der Kolbenstange (Sensorkern) von der Relativposition der Fig. 1 zur Fig. 2 bei Messung nach dem Wirbelstromprinzip bzw. nach dem induktiven Prinzip ergibt, während die Fig. 4 bis 14 Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, nämlich Fig. 4 in Form eines Diagramms den Messspannungsverlauf über dem Messweg; ;mit zusätzlichen Spannungsverläufen, wenn lediglich nach dem Wirbels tromprinzip oder dem induktiven Prinzip gemessen wird, die Fig. 4a und 4b auf die Diagrammdarstellung der Fig. 4 bezogene ReEtivpositionen zwischen Sensorkern und Messspule jeweils, die Fig. 5, 6aund 6b,jeweils in Schnitt- zeichnungen, verschiedene Ausführungsformen von folienartigen Belägen am den zu messenden Weg zurücklegenden Element (Sensorkern), Fig. 7 eine Variante vorliegender Erfindung mit zwei Teilmessspulen, die entsprechend Fig. 8 nach dem Wheatstone'schen Halbbrückenprinzip verschaltet sind, Fig. 9 zeigt eine mögliche Ausführungsform zur digitalen Erfassung von kleinen und kleinsten Wegeinheiten, Fig. 10 in schematisierter Darstellung die Ausbildung der Sensorspule als spiralförmig gewickelte Flachspule, Fig. 11 die Ausbildung einer Messflachspule bei Überdeckung mehrerer unterschiedlicher Stoffbereiche des Verschiebungselements, Fig. 12 schematisiert die Messung einer Ventilnadelbewegung, wobei die Nadel den Sensorkern bildet, Fig. 13 eine Messmöglichkeit nach dem erfindungsgemässen Prinzip zur Erfassung rotierender Bewegungen und Auflösung in Winkeleinheiten und Fig. 14 schematisiert eine mögliche Ausführungsform einer Auswerteschaltung mit Gleichstrom-Messausgang. Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, bewusst eine kombinierte Erfassung einer Verschiebebewegung oder eines zu messenden Weges unter gleichzeitiger Ausnutzung der physikalischen Gegebenheiten des Wirbelstrom-lXlessprinzips und des induktiven Messprinzips zu realisieren, wobei die Relativverschiebunt zwischen der mindestens einen Messspule und einem Element durchgeführt wird, mindestens dessen Oberfläche in mindestens einen elektrisch gut leitenden, jedoch dia- oder paramagnetischen Bereich und einen ferromagnetischen Bereich unterteilt ist. Die Ermittlung des Messweges ergibt sich dann durch Auswertung sowohl des induktiven als auch des Wirbelstrom-Messprinzips, wodurch sich eine erhebliche Empfindlichkeitserhöhung und ein entsprechend grosses Auflösevermögen erzielen lässt. Dabei setzt die Erfindung die Kombination der beiden erwähnten Me ssm ethoden, Wirbelstromprinzip und induktive s Prinzip, gezielt so ein, dass die Einwirkung der beiden Prinzipien auf die Messspule nicht gleichzeitig, sondern in Abhängigkeit zur Verschiebebewegung erfolgt; mit anderen Worten, der jeweils vorgesehenen Sensorspule (Ringspule oder Flachspule) werdenüber den Verschiebeweg gesehen je weils sich ändernde unterschiedliche Gegenflächen angeboten, .unterschied- lich bezüglich der elektrischen und der magnetischen Eigenschaften. Betrachtet man die Darstellung der Fig. 4 in Verbindung mit den in Fig. 4a dargestellten Relativpositionen zwischen der Messspule 20 und einem den zu messenden Weg zurücklegenden Verschiebeelement, Kolbenstange oder Sensorkern 21, wie er im folgenden ausschliesslich noch genannt werden soll, dann ergibt sich als erste Voraussetzung, dass der Sensorkern 21 aus zwei verschiedenen Stoffen mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften zusammenge setzt ist. So besteht der Sensorkernteil W beispielsweise aus einem elektrisch gut leitfähigen, jedoch dia- oder paramagnetischem Stoff (beispielsweise also Kupfer, Aluminium u. dgl. ), während der Teil F aus ferromagnetischem Stoff, vorzugsweise hoher Permeabilität, besteht (beispielsweise also Eisen o.dgl.). Besonders günstig ist dabei, wenn die beiden Kernteile W und F jeweils noch Eigenschaften besitzen, die die Möglichkeiten des jeweils anderen Messprinzips, für welches sie nicht bestimmt sind, be- oder verhindernde Wirkungen haben - mit anderen Worten beispielsweise, dass der ferromagnetische Kernteil F zusätzlich auch noch die Ausbildung von Wirbelströmen stark behindernde Eigenschaften besitzt, wie z.B. Massekerne, Ferritkerne u. dgl. In Fig. 4a sind die jeweils eingenommenen Relativpositionen zwischen Messspule 20 und dem gesamten Sensorkern 21 mit Pos. 1, Pos. 2 und Pos. 3 angegeben und auf den Messspannungsverlauf im Diagramm der Fig. 4 auch bezogen. Dabei ist bei Pos. 1 der elektrisch gut leitende Kernteil W vollständig im Überdeckungsbereich mit der hier als Ringspule ausgebildeten Messspule 20 angeordnet; bei Pos. 2 befindet sich der Überdeckungsbereich gleichmässig auf die Kernteile W und F aufgeteilt und bei Pos. 3 befindet sich die Messspule 20 in Überdeckung ausschliesslich mit dem ferromagnetische Eigenschaften aufweisenden Kernteil F. Wesentlich ist für das erfindungsgemässe Messverfahren, dass die Trennoder Scheidelinie 22 zwischen den beiden Kernteilen W und F während der Anwendung des Messverfahrens, also während der Durchführung der Relativverschiebung zwischen Sensorkern 21 und Messspule 20rläng-s der Messspulenbreite' in diesem angewendeten Fall, sich ebenfalls verschiebt. Im Diagramm der Fig. 4 ist zunächst strichpunktiert die an der Messspule 20 bei Speisung mit einer Spannung geeigneter Frequenz in Abhängigkeit zum Spulens cheinwide rstand sich ergebende Nullspannung 13L angegeben, wenn die Messspule 20 die Wirkung einer Luftspule hat, also ohne Sensorkern ist. Davon ausgehend lässt sich dann im Diagramm der Fig. 4 die Messspannung über der Relativbewegung Messspule - Sensorkern auftragen. Es ergeben sich dann die folgenden Zusammenhänge. In Pos. 1 bedeckt die Messspule 20 (siehe die Fig. 4a) den Kernteil W vollständig und der Messspannungsverlauf entsprechend der Kurve A in Fig. 4 erreicht in diesem Fall seinen Minimalwert, nahezu da das Messsystem (Sensor) jetzt/ausschliesslich nach dem Wirbel- stromprinzip bei maximaler Wirbelstrombildung im Kernteil W arbeitet. Wird der Sensorkern 21 in Richtung des Pfeils D ver schoben, dann erfasst zunehmend das in der Zeichenebene linke Messspulenende den aus ferromagnetischem Stoff bestehenden Kern teil F, während sich der Spulenabschnitt, der den Kernteil W umschliesst, zunehmend verringert. Dies verursacht eine Erhöhung der Messspannung, da einmal die Wirbelströme sich im Kernteil W verringern, gleichzeitig und in Zusammenwirken hiermit aber auch der Anteil der Spule sich vergrössert, der das Messsignal auf bevorzugt induktive Weise erfasst. Die Messsignal änderung über dem Verschiebungsweg ist daher überproportional und ergibt einen entsprechend steilen Anstieg. In Pos. 2 bedeckt die Wicklung die beiden Kernteile jeweils zur Hälfte, so dass davon ausgegangen werden kann, dass die Induktivität der gesamten Messspule dann - bei entsprechender Abstimmung sonstiger Parameter (Material, Trägerfrequenz, Spulenform) ungefähr so gross wie die der Luft spule ist, da sich die beiden hier massgebenden Effekte (Wirbelstrom - induktive Wirkung) in etwa gegenseitig aufheben. Mit weiterem Eintauchen in Richtung auf Pos. 3 erhöht sich die Messspannung UM > weiter, die ihren Maximalwert dann erreicht, wenn die Wicklung der Messspule aus dem Wirbelstromeinfluss des Kernteils W vollständig herausgetreten und den Sensorkern jetzt ausschliesslich auf induktive Weise erfasst, genauer gesagt, von dessen ferromagnetischem Kernteil F nahezu ausschliesslich beeinflusst wird. Die durch das erfindungsgemässe Messprinzip erzielte, besonders wirkungsvolle E mpfindlichkeitse rhöhung bei We gmessungen wird deutlich, wenn man, auf der Grundlage der gleichen Verschiebebewegung und auch sonstiger gleicher Komponenten, die maximale Messspannungsänderung nach der Erfindung bei den gege benen Relativbewe gungen von Messspule /Sensorkern vergleicht mit den konventionellen Ergebnissen beim Wirbelstrom -Messverfahren und dem induktiven Messverfahren. Im folgenden wird zunächst auf ein ebenfalls mögliches, ausschliessliche s Wirbelstrom-Messverfahren eingegangen, Wird der Sensorkernweg nach dem Wirbelstrom-Messprinzip erfasst, dann ergibt sich im gleichen Diagramm der Fig. 4 der im Kurvenverlauf B1 dargestellte Spannungsverlauf. Abgestellt wird in diesem Fall auf die Relativpositionen, wie sie in Fig. 4b dargestellt sind und wobei das notwendigerweise "Fehlen" des jeweils anderen Kernteils dadurch verdeutlicht wird, dass der Sensorkern bei der Darstellung der Fig. 4b einen grösseren Durchmesser D aufweist, der die jeweilige Messung nach dem Wirbelstrom- und dem induktiven Messprinzip ermöglicht und einen Teil mit einem geringeren Durchmesser d2 bzw. mit einem noch geringeren Durchmesser dl. Geht man bei der Betrachtung zunächst des Wirbelstromverfahrens davon aus, dass der Sensorkern aus dia- oder paramagnetischem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit besteht, dann werden, je nachdem, ob die Wicklung der Messspule den stärkeren oder dünneren Kernteil erfasst, mehr oder weniger Wirbelströme erzeugt. Da die Grösse der Wirbelströme die Spuleninduktivität beeinflusst, vermindert sich - bezogen auf die weiter vorn erwähnte Luftspulenspannung 13L - die Messspannung entsprechend. In Pos. 1 ist die Messspannung genauso niedrig wie im Kurvenverlauf A, da sich, gleiche Parameter vorausgesetzt, zunächst die gleichen Verhältnisse notwendigerweise einstellen. Schiebt man den Sensorkern in die Stellung Pos. 2 und weiter in Pos. 3, dann erhöht sich zwar die Messspannung, sie bleibt jedoch (notwendigerweise) immer unter dem Niveau der Luftspulenspannung UL, weil sich auch im dünne ren Sensorteil noch Wirbelströme ausbilden. Der Kurvenverlauf B1 entspricht dem Anderungsverlauf der Messspannung bei grossen Durchmesserunterschieden (D, dl), der Kurvenverlauf B2 ergibt sich bei kleineren Durchmesserunterschieden (D, d2); es ergeben sich dann entsprechend maximale Messspannungs änderungen, wie im Diagramm angegeben, Uwl bzw. Usw2. Erfolgt die Messung (ausschliesslich) nach dem induktiven Messverfahren, dann ergeben sich die in den Kurvenverläufen C1 und C2 aufgezeichneten Spannungsverläufe; wiederum bei Voraussetzung gleicher Parameter erhöht sich die Spuleninduktivität (bezogen auf die Induktivität der Luftspule) mehr oder weniger stark, je nachdem, ob der stärkere oder dünnere Kernteil von der Messspule 20' erfasst ist. Es versteht sich, dass beim Vergleich mit dem induktiven Messverfahren der Sensorkern 21' aus ferromagnetischem Material besteht. Demnach ergibt sich sinngemäss in Pos. 1 die maximale, nach dem induktiven Messverfahren erreichbare Ausgangsmessspannung, während sich beim Weiterschieben in Pos. 2 und Pos. 3 die Spannung verringert, jedoch immer über dem Niveau der Luftspulenspannung U, UL notwendigerweise ver- bleibt, da auch der dünnere Kern, auch bei kleinstem Durchmesser dl, den Luftspulenscheinwiderstand erhöht. Der Kurvenverlauf C1 zeigt den Verlauf der maximalen Spannungsänderung (UF1) bei grossen Durchmesserunterschieden, der Kurvenverlauf C2 die maximale Messspannungsänderung UF2 bei kleineren Durch messerunterschieden, die durch das induktive Messverfahren erreichbar sind. Bei den bisherigen Betrachtungen ist nicht übersehen worden, dass sich sicherlich auch Feldlinien bilden, die über die Spulenenden hinausragen und in die benachbarten Zonen wirken; diese wurden bei den bisherigen Betrachtungen nicht berücksichtigt. Dies ist zulässig, da die davon ausgehende Schwächung des Messeft'ektes i. a. gering ist. Es ist darauf hinzuweisen, dass solche Feldlinien den Messeffekt bei allen Messverfahren schwächen, jedoch die grundsätzlichen Unterschiede zwischen dem erfindungsgemässen Messprinzip und dem bekannten Messverfahren nicht berühren. Ferner ist bei den anhand der Diagrammverläufe der Fig. 4 erläuterten Verhältnissen davon ausgegangen, dass die jeweils gleiche Spule unter den gleichen elektrischen Bedingungen betrieben wird und dass ausserdem die Kernparameter (Material, geometrische Abmessungen) identisch sind, bezogen auf den jeweiligen Vergleich. Man erkennt, dass das mittels des kombinierten erfindungsgemässen Messverfahrens gewonnene Messsignal UM' erheblich grösser ist als jedes Messsignal, welches mit dem reinen Wirbelstromverfahren oder mit dem induktiven Verfahren überhaupt erreicht werden kann. Ist es im übrigen - wenn man nach dem reinen Wirbelstromverfahren oder dem induktiven Verfahren arbeitet - aus eventuellen konstruktiven Gründen nicht möglich, den Sensorkern mit entsprechend grossen Durchmesserunterschieden auszubilden, und je grösser die Durchmesserunterschiede sind, umso grösser ist ja auch der Hub der Messspannungsänderung bei dem jeweiligen Verfahren, dann erhöhen sich die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens noch beträchtlich, da dieses, was auch ein Vorteil für sich alleine sein kann, Durchmesserunterschiede gar nicht erforderlich macht und beste Messergebnisse gerade dann liefert, wenn mit gleichen Durchmessern beidseitig der Stofftrennlinie 22 (vergl. Fig. 4a) gearbeitet werden kann. Das erfindungsgemässe Kombinationsmessverfahren nutzt beide Messprinzipien optimal, wobei es vorteilhaft ist, den ferromagnetischen Teil des Sensorkerns, der eine Kolbenstange 0. dgl. sein kann, aus ferromagnetisch hochpermeablem, nach Möglichkeit eine Wirbelstromausbildung behindernden Material herzustellen, so dass auch bei hohen Trägerfrequenzen - bei welchen der Wirbelstromeffekt auf dem Kernteil W gut ausgenutzt wird - vorzugsweise induktiv im Bereich des Kernteils F gemessen wird. Es versteht sich im übrigen und ist auch ein besonderer Vorteil vorliegender Erfindung, dass die erwähnten Kernteile W und F entsprechend dem vereinfachten Sensorkern der Fig. 4a nicht (massiv) einstoffig zu sein brauchen. Beispielsweise kann, wenn man von einem ferromagnetischen Grundmaterial für den Sensorkern ausgeht, eine metallische Folie oder auch Fläche die erfor und umgekehrt. derliche Funktion für die Wirbelstrombildung übernehmen /Re- sentlich ist natürlich, dass die elektromagnetischen Eigenschaften des verwendeten Folienmaterials und des Sensorkerns unterschiedlich sind. So erhält man entsprechend der Darstellung der Fig. 5 beispielsweise einen guten Messeffekt, wenn bei durchlaufender Ausbildung des Sensorkerns 21 aus ferromagnetischem, hochpermeablem Stoff (z. B. Fe, Fe-Ni Legierung, Mu-Metall) die Folie 23. in deren Erstreckungsbereich die Wirbelstromeffekte zum Tragen kommen, aus gut leitfähigem, nicht ferromagnetischem Metall (beispielsweise Aluminium, Kupfer, entsprechende Legierungen Al/CQ besteht. Die Folie kann auch äusserst dünn sein und in im Grunde beliebiger Weise auf den Sensorkern aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufkleben, Aufdampfen, oder durch elektrochemische Verfahren. Die Breite der beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sowie auch der Fig. 6a, 6b, 7 als Messspule verwendeten Ringspule ist mit Bs bezeichnet und die Messspannungsänderung zur Anzeige eines Verschiebeweges tritt dann auf, wenn der Grenzübergang 22 zwischen dem Ende der aufgeklebten Folie und dem Kernmaterial in den Wirkungsbereich der Messspule 20 eindringt. Das erfindungsgemässe Grundprinzip lässt sich durch eine Vielzahl von verwendbaren Materialien und einer Vielzahl konstruktiver Möglichkeiten realisieren. So ist es umgekehrt auch möglich, etwa das Verschiebeelement, also den Sensorkern aus einem beliebigen Material, beispielsweise Kunststoff (Resitex, Plexiglas, PVC u. dgl.) herzustellen, wie in Fig. 6a bei 24 gezeigt. Auf ein solches beliebiges Sensorkernmaterial kann man eine erste Folie 25 aus ferromagnetischem Stoff und auf dieser wiederum eine zweite Folie 26 aufbringen,^ deren elektromagnetische Eigenschaften sich in dem weiter vorn schon beschriebenen Sinn unterscheiden müssen. Natürlich können die Folien auch unter Ausbildung der Übergangs- oder Grenzfläche 22 im Stoss aneinandergelegt auf dem Sensorkernmaterial aufgebracht werden. Eine weitere Möglichkeit besteht entsprechend der Darstellung der Fig. 6b darin, in radialer Richtung den Sensorkern-Teilbereich, der zwei übereinanderliegende Folien aufweist, so auszubilden, dass zwischen den ferromagnetischen Schichten 27 und den dia- oder paramagnetischen Schichten 28 ein Zwischenraum gelassen wird, der gegebenenfalls auch mit einer Kunststoffschicht 29 ausgefüllt werden kann. Die Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere bevorzugte Ausgestaltung vorliegender Erfindung, bei welcher die Messringspule in zwei Teilspulen 20a, 20b unterteilt ist, die jeweils getrennte Wicklungen bilden und entsprechend Fig. 8, wie dort lediglich schematisch angedeutet, nach dem bekannten Wheatstone'schen Halbbrückenprinzip verschaltet sind. Der Sensorkern, der in diesem Fall auch wieder von den Teilringspulen 20a, 20b umfasst ist, weist dann aufeinanderfolgend alternierend Materialien oder mindestens Oberflächenbereiche auf, die ferromagnetisch und hochpermeabel sind (F) sowie Bereiche, die, elektrisch gut leitend,dia- bzw. paramagnetische Eigenschaften aufweisen. Die Teilspulen 20a, 20b sind dann in ihrer relativen Abstandsbeziehung zueinander, beispielsweise auf ihre mittlere Breite bezogen, so angeordnet, dass die Grenzübergänge 22a, 22b zwischen den einzelnen Materialien, die die unterschiedlichen Messverfahren gewährleisten, beim gemeinsam in einer Richtung verlaufenden Durchlaufen oder Verschieben in den beiden Teilspulen symmetrisch gegenläufige Wirkungen hervorrufen. Man erzielt so eine weitere erhebliche Empfindlichkeitserhöhung, wobei das Messprinzip der beiden nach Art einer Brücke miteinander verschalteten Teilspulen auch bei sämtlichen anderen, bisher erläuterten Grundmessverfahren angewendet werden kann. Es ist ferner möglich, sinngemäss auch mit vier Teilspulen zu arbeiten, die in einer Wheatstone > schen Vollbrücke verschaltet sind. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung vorliegender Erfindung besteht darin, infolge der durch die erhöhte Empfindlichkeit bewirkten Vergrösserung des Auflösungsvermögens kleine und kleinste Wegeinheiten berührungsfrei digital erfassen zu können. Ein mögliches Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 9 dargestellt; Fig. 9 zeigt, um nur eine mögliche Ausführungsform anzugeben, einen ferromagnetischen Kern 30 (z.B. Fe, Ferritkern), auf welchem ringförmig relativ schmale und in engem Abstand aufeinanderfolgende Zonen aus elektrisch gut leitfähigem, diaoder paramagnetischem Material aufgebracht sind (oder umgekehrt). Beim Bewegen des Kerns in axialer Richtung werden an der Messspule 31 (Ringspule) oder an einer alternativ verwendbaren, beispielsweise spiralförmig gewickelten Flachspule 32 abwechselnd Zonen unterschiedlicher elektromagnetischer Eigenschaften vorbeige führt und die Messspule 31, 32 arbeitet dann abwechselnd nach dem Wirbelstrom- oder dem induktiven Messverfahren; d. h. ihre Ausgangsspannung verändert sich zwischen einer maximalen Ausgangsspannung zu den Momenten, in welchen der Spule zu deren Induktivitätse rhöhung fe rroma gne tis che s Material ge genübe rlie gt, und einer minimalen Ausgangsspannung, jeweils zu Momenten, bei denen durch die Wirbelstrombildung die Spuleninduktivität noch verringert wird, hin und her, so dass gut unterscheidbare Signalformen auftreten, die digital in geeigneter Weise erfasst (Zähler) und weiterverarbeitet werden können. Wie schon erwähnt, kann anstelle einer ringförmigen Sensorspule auch mit spiralförmig gewickelten Flachspulen oder sonstwie geeigneten Spulendimensionen und Konfigurationen gearbeitet werden, die beispielsweise den Sensorkern nur einseitig erfassen. Auch unter diesen Umständen ergeben sich auf die Spuleninduktivität die gleichen Auswirkungen beim Durchlaufen von sich in ihren elektromagnetischen Eigenschaften unterscheidenden Sensorkernzonen. Die Fig. 10 zeigt eine Flachspule 32', die oberhalb eines aus einem Grundmaterial bestehenden Verschiebeelements 33 (Sensorkern) angeordnet ist, auf welchem wieder Oberflächenbereiche 34 mit den jeweils anderen Materialeigenschaften angeordnet sind. Auf diese Weise können auch recht- oder mehreckige Stangen u. dgl. gemessen werden, deren Messseite in entsprechende Flächen im weiter oben beschriebenen Sinn unterteilt ist. Es ist nicht ausgeschlossen, dass, beispielsweise aufgrund geringen Platzbedarfs die auf dem Sensorkern angeordneten Zonen sehr eng stehen können, so dass die Breite der Ringspule oder der Durchmesser der Flachspule auch grösser als eine Zonenbreite sein könnte. In diesem Fall ist es, wie die Fig. 11 zeigt, zweckmässig, den Sensorkern 35 mit seinen unterschiedlichen Materialbelägen so auszubilden, dass diese Beläge ungefähr ein ungerades Vielfaches der Spulenbreite bilden. Ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungs gemässen Messprinzips lässt sich der Darstellung der Fig. 12 entnehmen; infolge des geringen Platzbedarfs der beispielsweise auf einem ferromagnetischen Messkern aufgebrachten dia- oder paramagnetischen Schicht (die Schichtstärke kann sehr dünn sein) ist es möglich, Messsensoren sehr klein auszubilden. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 12 zeigt das Messen einer Ventilnadelbewegung, wobei die Ringspule mit 36 und die Ventilnadel aus ferromagnetischem Material mit 37 bezeichnet ist; der Belag in Form einer Folie, einer entsprechenden Materialaufdampfung o. dgl. trägt das Bezugszeichen 38. In Anlehnung an das eine digitale Erfassung ermöglichende Ausführungsbeispiel der Fig. 9 kann entsprechend der Darstellung der Fig. 13 das erfindungsgemässe Kombinationsmessprinzip auch zur Drehzahlerfassung beispielsweise eines rotierenden Messrades eingesetzt werden, welches schematisch bei 39 mit seinen verschiedenen Oberflächenbelägen angedeutet ist und den in entsprechendem Abstand gegenüberliegend ein Träger 40 mit der Messspule angeordnet ist, die in diesem Fall vorzugsweise eine Flachspule 41 ist. Durch das durch die Erfindung bedingte grössere Auflösungsvermögen kann die Unterteilung in entsprechende Messzonenbeläge des rotierenden Messrades erhöht werden und man gewinnt so durch den Einsatz der Erfindung eine höhere Genauigkeit bei der Winkeloder Drehzahlerfassung. Schliesslich zeigt das Ausführungsbeispiel der Fig. 14 schematisch noch eine mögliche Messschaltung, wobei der Messspule 20 von einem Wechselstromgenerator 42 eine Spannung zugeführt ist, die sich je nach der Spuleninduktivität in der oben erläuterten Weise verändert; durch Gleichrichtung dieser über der Spule abfallenden Spannung über eine nachgeschaltete Diode 43 und einige, als RC Glieder ausgebildete Siebschaltungen, die insgesamt mit 44 bezeichnet sind, ergibt sich dann am Ausgang der Messschaltung die Messgleichspannung UM. Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims: Method of increasing the measurement sensitivity of position sensors operating in a non-contact fashion and comprising at least one measuring coil (20), the measuring coil or all measuring coils being traversed by an alternating current and being guided relative and adjacent to a shift element (21) (sensor core), and at least the surface of the latter being alternately subdivided at least once into a zone which corresponds in its action to a ferromagnetic, highly permeable material, and into a zone which corresponds in its action to an effectively conducting, diamagnetic or paramagnetic material or non-magnetizable material, so that a variable measurement voltage drops at the at least one measuring coil (20), which voltage enables the determination of the measurement displacement by means of the simultaneous application of the inductive and the eddy-current principle to the at least one measuring coil (20). Method according to Claim 1, characterized in that during the shifting movement to be determined the at least one interface (22, 22a, 22b) between the zones passes through the sphere of action of the coil in such a way that a variable measurement voltage drops at the at least one measuring coil (20). Method according to Claim 1 or 2, characterized in that in the course of the measurement process the at least one measuring coil is subjected over its electrically active width simultaneously to at least the surface effect both of an electrically effectively conducting but diamagnetic or paramagnetic material and of a ferromagnetic material. Method according to one of Claims 1 or 2, characterized in that the alternating zones of different material characteristics are positioned closely on the sensor core, which executes a relative movement with respect to the at least one measuring coil, in such a way that the repeating maximum and minimum voltage values resulting during the shifting are detected as digital signals and further processed. Device for increasing the sensitivity of position sensors operating in a non-contact fashion and comprising at least one measuring coil, which device is intended to execute the method according to one or more of Claims 1 to 4, characterized in that the surface of the sensor core (21, 21', 24, 30, 33, 35), which is opposite the coil and subjected to the action of its influence, and executes shifting movements relative to said coil, has at least two separate zones having, on the one hand, a highly permeable, ferromagnetic action and, on the other hand, an electrically effectively conducting but diamagnetic or paramagnetic action, there being a limit transition (22; 22a, 22b) between the two zones, which moves during the measurement process through the sphere of action of the coil. Device according to Claim 5, characterized in that the sensor core (21) has the form of a rod and is surrounded by the measuring coil (20), which is constructed as a ring coil. Device according to Claim 5, characterized in that the sensor core (33, 35, 39) comprises a face the surface of which, which is constructed in zones of different material action, is opposite a flat coil (32, 32'). Device according to one of Claims 5 to 7, characterized in that the sensor core (30) has a multiplicity of closely mutually adjacent zones of different material action, which during measurement alternately run past one coil (ring coil 31; flat coil 32), and in that the output signal of the coil is evaluated (digitally) in accordance with the maximum and minimum value. Device according to one or more of Claims 5, 7, 8, characterized in that the sensor core is constructed in a circular shape with different rim zones for speed measurement, opposite which rim zones at least one flat coil (41) is arranged. Device according to one or more of Claims 5 to 9, characterized in that the sensor core consists of a ferromagnetic, highly permeable material (Fe, Fe-Ni alloy, nickel iron), and is coated for the purpose of zone formation with a foil or layer of electrically effectively conducting but not ferromagnetic material (Al, Cu, alloys thereof). Device according to one or more of Claims 5 to 9, characterized in that the sensor core (24) consists of an arbitrary material, possibly without electromagnetic characteristics, and carries a first foil (25) having ferromagnetic, highly permeable characteristics and a second foil (26) having electrically effectively conducting, diamagnetic or paramagnetic characteristics. Device according to Claim 11, characterized in that the foils are arranged one above another. Device according to Claim 11 or 12, characterized in that a plastic interlayer is arranged between the foils (27, 28) with the formation of radial spacing. Device according to one or more of Claims 1 to 13, characterized in that the at least one measuring coil consists of two or four component measuring coils (20a, 20b) each connected in the manner of a half or full Wheatstone bridge, and in that the sensor core (21") consists, at least in its surface, of at least three different, mutually alternating layers of the above-mentioned different materials. Device according to Claim 14, characterized in that the number of the zones on the sensor core (35) is an odd multiple of the coil width.

Inventors: DOBLER, KLAUS, DR.-ING., HACHTEL, HANSJOERG, Hachtel, Hansjörg
Applicants: ROBERT BOSCH GMBH
Application year: 1984
Main classification: G01D5
IPC codes: G01B7, G01D5