DE3026389C2 - Device for distance measurement using eddy currents with a feedback amplifier - Google Patents
Device for distance measurement using eddy currents with a feedback amplifierInfo
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- DE3026389C2 DE3026389C2 DE19803026389 DE3026389A DE3026389C2 DE 3026389 C2 DE3026389 C2 DE 3026389C2 DE 19803026389 DE19803026389 DE 19803026389 DE 3026389 A DE3026389 A DE 3026389A DE 3026389 C2 DE3026389 C2 DE 3026389C2
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Description
In der DE-AS P 25 49 627 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein Bezugssignal mit fester Frequenz und Amplitude an den invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers angelegt wird, dessen Ausgang auf seinen nicht-invertierenden Eingang über einen Rückkoppelungskreis geführt ist, und eine Meßspule durch das Rückkoppelungssignal erregt wird, wobei der Abstand von einem gegenüber der Spule angeordneten Metallkörper in Abhängigkeit von der Änderung der Spuleninipedanz gemessen wird. Diese Vorrichtung zur Abstandsmessung ist so ausgelegt, daß der Verstärkungsfaktor eines rückgekoppelten Verstärkers nach erfolgter Rückkoppelung in Abhängigkeit vom Impedanzwert einer Meßspule gesteuert wird, und die Ausgangsspannung des Verstärkers wird gemessen, wodurch sich eine Impedanzänderung der Meßspule in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Metallkörper und der Meßspule als Abstands-Meßwert ergibt.In DE-AS P 25 49 627 a device is described in which a reference signal with a fixed Frequency and amplitude is applied to the inverting input of a differential amplifier, the output of which is fed to its non-inverting input via a feedback circuit, and a Measuring coil is excited by the feedback signal, the distance from one opposite to the coil arranged metal body is measured as a function of the change in the coilinipedance. These The device for distance measurement is designed so that the gain factor of a feedback amplifier is controlled after the feedback has taken place as a function of the impedance value of a measuring coil, and the output voltage of the amplifier is measured, which results in a change in the impedance of the measuring coil in Dependence on the distance between the metal body and the measuring coil results as a measured distance value.
Bei einer Vorrichtung der genannten Art nach dem Stand der Technik besteht keine Möglichkeit, die Auswirkung von Impedanzschwankungen der Meßspu-Ic aufgrund von Temperaturschwankungen zu korrigieren, und es besteht daher ein Bedarf für eine verbesserte Vorrichtung, bei der die Auswirkung dieser Temperaturschwankungen auf die Ausgangskennlinie der Abstandsmessung zwischen der Meßspule und dem Metallkörper mit hoher Genauigkeit kompensiert wird. Die Änderungsgeschwindigkeit der Meßspulen-Impedanz in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen ändert sich je nach dem für den Spulenkörper verwendeten Material, nach der Spulenform, demIn a device of the type mentioned according to the prior art, there is no possibility that To correct the effects of impedance fluctuations in the measuring voltage Ic due to temperature fluctuations, and there is a need, therefore, for an improved device that can overcome the effects of these temperature fluctuations is compensated for with high accuracy on the output characteristic of the distance measurement between the measuring coil and the metal body. The rate of change of the measuring coil impedance as a function of temperature fluctuations changes depending on the material used for the bobbin, after the coil shape, the
ίο Wicklungsverfahren usw. Darüber hinaus ergibt sich bei Meßspulen, deren Wicklungskern aus ferromagnetischem Material wie Ferrit besteht, aus einer Änderung der Permeabilität des Ferrits aufgrund der Temperaturschwankungen ein Hysterese-Verhalten, wodurch es noch schwieriger wird, die genannte Temperaturkompensierung für Schwankungen der Ausgangskennlinie einer Meßspule mit einem solchen Ferritkern zu erzielen.ίο winding process, etc. In addition, results in Measuring coils, the winding core of which is made of ferromagnetic material such as ferrite, from a change the permeability of ferrite has a hysteresis behavior due to temperature fluctuations, which makes it The said temperature compensation for fluctuations in the output characteristic is even more difficult to achieve a measuring coil with such a ferrite core.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abstandsmessung zu schaffen, die eine automatische Kompensierung von Schwankungen der Ausgangskennlinie einer Abstands-Meßspule in Abhängigkeit von der Temperatur ermöglicht, wobei die Ausschaltung einer Phasenänderung im Rückkoppelungskreis eines rückgekoppelten Verstärkers zusätzlich zur Temperaturkompensierung sichergestellt ist, so daß sich eine erhöhte Stabilität und eine vereinfachte Justierung der Vorrichtung ergibt, und bei der sich die Verwendung eines hochstabilen Oszillators wie z. B.The invention is therefore based on the object of creating a device for distance measurement that has a automatic compensation of fluctuations in the output characteristic of a distance measuring coil as a function of from the temperature, with the elimination of a phase change in the feedback circuit a feedback amplifier is ensured in addition to temperature compensation, so that there is increased stability and a simplified adjustment of the device, and in which the Use of a highly stable oscillator such as B.
eines Quarzoszillators erübrigt.a crystal oscillator is unnecessary.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1.
Bei dem Oszillator handelt es sich um einen sogenannten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), und die Einheit von Phasenvergleichsschaltung und VCO kann durch einen integrierten Phasenregelkreis (PLL) ersetzt werden. Der rückgekoppelte Verstärker besitz: zwei Eingänge, einen invertierenden und einen nicht-invertierenden Eingang, sowie einen Ausgang, und das Wechselstromsignal vom VCO wird an den invertierenden Eingang gelegt. Ein Rückkoppelungswiderstand ist zwischen den nicht-invertierenden Eingang und den Ausgang geschaltet und bildet eine Rückkoppelungsschleife, und der Schwingkreis ist mit dem nicht-invertierenden Eingang verbunden.The oscillator is a so-called voltage controlled oscillator (VCO), and the unit of phase comparison circuit and VCO can be through an integrated phase locked loop (PLL) must be replaced. The feedback amplifier has: two inputs, one inverting and one non-inverting input, as well as an output, and the AC signal from the VCO is sent to the inverting input. A feedback resistor is between the non-inverting ones Input and output switched and forms a feedback loop, and the resonant circuit is with connected to the non-inverting input.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden eine Meßspule zur Abstandsmessung und ein Kondensator einen parallelen Resonanzkreis mit der Impedani Zo, der mit einem damit in Reihe liegenden Rückkoppelungswiderstand Rp einen Rückkoppelungskreis des Verstärkers bildet. Der Resonanzkreis wird ständig mit der Resonanzfrequenz erregt, indem die Schwingungsfrequenz des Oszillators in Abhängigkeit von auf Temperaturänderungen beruhenden Änderungen der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises gesteuert wird. Dadurch wird aus den nachfolgend erläuterten Gründen eine sehr genaue Abstandsmessung unabhängig von Temperaturänderungen ermöglicht.In the device according to the invention, a measuring coil for distance measurement and a capacitor form a parallel resonance circuit with the impedance Zo, which forms a feedback circuit of the amplifier with a feedback resistor Rp in series therewith. The resonance circuit is constantly excited at the resonance frequency by controlling the oscillation frequency of the oscillator as a function of changes in the resonance frequency of the resonance circuit based on temperature changes. This enables a very precise distance measurement regardless of temperature changes for the reasons explained below.
Die Impedanz der Meßspule im Zeitpunkt der Abstandsmessung wird in äquivalenter Weise dargestellt durch die Reihenschaltung des reinen Wicklungswiderstandes ro der Meßspule selbst, der Induktanz Lo der Wicklung sowie des Verlustwiderstandes rc und der Induktanz LE, die durch die Rückwirkung der in dem zuThe impedance of the measuring coil at the time of the distance measurement is represented in an equivalent manner by the series connection of the pure winding resistance ro of the measuring coil itself, the inductance Lo of the winding and the loss resistance rc and the inductance LE, which is caused by the reaction of the in the to
h5 messenden Metallgegenstand erzeugten Wirbelströme äquivalent verursacht werden. h 5 measuring metal object generated eddy currents are caused equivalent.
Parallel zu dieser Impedanz ist zur Bildung des Resonanzkreises ein Kondensator Co geschaltet. Die A capacitor Co is connected in parallel to this impedance to form the resonance circuit. the
resultierende Impedanz Zo des Parallelschwingkreises wird bei der Resonanzfrequenz fo dieses Kreises maximal und seine Reaktanzkomponente wird Null. Der Wert Zo wird durch die folgende Gleichung (V) wiedergegeben:The resulting impedance Zo of the parallel resonant circuit is at its maximum at the resonance frequency fo of this circuit and its reactance component becomes zero. The value Zo is given by the following equation (V) :
Zo = (ro + re) + ω£ (Lo - LE)7l(ro + re) = (ro + re) + (Lo - LE)/Co (ro + re). (V) Zo = (ro + re) + ω £ (Lo - L E ) 7 l (ro + re) = (ro + re) + (Lo - L E ) / Co (ro + re). (V)
In der obigen Gleichung bedeutet r = ro + re, L = Lo- LE, ω0 = 2π fo und fo = 1/2 π Vlco. In the above equation, r = ro + re, L = Lo-L E , ω 0 = 2π fo and fo = 1/2 π Vlco.
Wenn der Rückkopplungswiderstand Rp einen festen Wert besitzt, ändert sich der Rückkopplungsfaktor ßp, der durch die Gleichung ßp = ZoZ(Rp + Zo) wiedergegeben wird, entsprechend der resultierenden Impedanz Zo des Parallelschwingkreises.When the feedback resistance Rp has a fixed value, the feedback factor βp, which is represented by the equation βp = ZoZ (Rp + Zo) , changes according to the resulting impedance Zo of the parallel resonant circuit.
Wenn sich jedoch die Temperatur der Abstandsmeßspule erhöht steigt auch der reine Wicklungswiderstand ro entsprechend seinem Temperaturkoeffizienten <x. Wenn in diesem Fall ein Kupferdraht als Wicklung verwendet wird, erhöht sich der Wert * mit 4 · 10~3 je Grad Temperaturänderung. Die Induktanz Lo erhöht sich ebenfalls mit etwa 2 · ΙΟ"3 ~ 2 · 10-" je Grad Temperaturanstieg infolge einer Änderung der Querschnittsfläche (des Durchmessers) der Spule.However, if the temperature of the distance measuring coil increases, the pure winding resistance ro also increases according to its temperature coefficient <x. In this case, if a copper wire is used as the winding, the value * increases by 4 x 10 ~ 3 for every degree of temperature change. The inductance Lo also increases by about 2 · ΙΟ " 3 ~ 2 · 10-" per degree of temperature rise due to a change in the cross-sectional area (diameter) of the coil.
Wenn daher die Temperatur der Meßspule steigt, wird ihre Resonanzfrequenz abgesenkt, jedoch bleibt die resultierende Impedanz Zo des Resonanzschwingkreises nahezu konstant, wie aus Gleichung (V) ersichtlich ist. Daher ändert sich die Ausgangsspannung des Rückkopplungsverstärkers nicht.Therefore, when the temperature of the measuring coil rises, its resonance frequency is lowered, but the resulting impedance Zo of the resonance circuit remains almost constant, as can be seen from equation (V). Therefore, the output voltage of the feedback amplifier does not change.
Wenn andererseits der relative Abstand zwischen der Meßspule und dem Metallgegenstand verkürzt wird, ergeben sich Änderungen in den Wirbelströmen im Metallgegenstand, wodurch der Widerstand re steigt und die Impedanz Le sinkt. Daher wird die resultierende Impedanz Zo des Parallelschwingkreises stark abgesenkt. On the other hand, when the relative distance between the measuring coil and the metal object is shortened, changes occur in the eddy currents in the metal object, whereby the resistance re increases and the impedance Le decreases. Therefore, the resulting impedance Zo of the parallel resonant circuit is greatly reduced.
Infolgedessen wird der Wert des Rückkopplungsfaktors ßp klein und die Ausgangsspannung des Rückkopplungsverstärkers wird stark verringert, so daß eine Abstandsmessung möglich ist.As a result, the value of the feedback factor βp becomes small and the output voltage of the feedback amplifier is greatly reduced, so that a distance measurement is possible.
Selbst wenn bei der Vorrichtung zur Abstandsmessung gemäß der Erfindung die Induktanz der Meßspule sich mit der Temperatur ändert, so ändert sich die Eigenschwingfrequenz des Schwingkreises aufgrund der Veränderung der Induktanz der Meßspule, und auch die Erregungsfrequenz ändert sich stets in Abhängigkeit von der Eigenschwingfrequen^. Demzufolge wird der Rückkoppelungsfaktor des rückgekoppelten Verstärkers auf einem konstanten Wert gehalten, der durch die zusammengesetzte Impedanz des Schwingkreises bei der Resonanz bestimmt ist, und jegliche Schwankung der Ausgangsspannung aufgrund von Temperaturschwankungen wird ausgeschaltet, so daß es möglich wird, eine automatische Temperaturkompensierung zu erzielen. Da weiterhin aufgrund der Tatsache, daß dem Schwingkreis stets seine Eigenschwingfrequenz zugeführt wird, so daß die komplexe Impedanz des Schwingkreises auf einem Wert gehalten wird, der nur den reellen Teil ohne den imaginären Teil darstellt, tritt keine Phasenänderung im Rückkoppelungskreis ein, woraus sich eine Verbesserung der Betriebsstabilität und eine einfachere und leichtere Justierung ergibt. Da darüber hinaus der verwendete Oszillator ein spannunEseesteuerter Oszillator ist, ist es unnötig, einen hochstabilen Oszillator wie z. B. einen Quarzoszillator zu verwenden. Dieser VCO und die Phasenvergleichsschaltung können durch einen integrierten Phasenregelkreis (PLL) ersetzt werden, um den Schaltungsaufbau zu vereinfachen.Even if, in the device for distance measurement according to the invention, the inductance of the measuring coil changes with temperature, the natural oscillation frequency of the oscillating circuit changes due to the change in the inductance of the measuring coil, and the excitation frequency always changes as a function of the natural oscillation frequencies ^. As a result, the feedback factor of the feedback amplifier becomes held at a constant value by the composite impedance of the resonant circuit at the resonance is determined, and any fluctuation in the output voltage due to temperature fluctuations is switched off so that it is possible to use automatic temperature compensation achieve. Since, furthermore, due to the fact that the resonant circuit is always supplied with its natural oscillation frequency is so that the complex impedance of the resonant circuit is kept at a value that only represents the real part without the imaginary part, no phase change occurs in the feedback loop, This results in an improvement in the operational stability and a simpler and easier adjustment. There In addition, the oscillator used is a voltage controlled by the sea Is an oscillator, it is unnecessary to use a highly stable oscillator such as B. a crystal oscillator to use. This VCO and the phase comparison circuit can be through an integrated phase locked loop (PLL) can be replaced in order to simplify the circuit construction.
Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es möglich, durch Messen der Ausgangsspannung der
Phasenvergleichsschaltung laufend den Änderungsbetrag der Meßspulen-Induktanz zu messen,
ίο DieUS-PS41 60 204 zeigt ein Wirbelstrom-Abstandsmeßgerät
mit Meßbrücke, wobei eine Spule und ein Kondensator zur Temperaturkompensation parallel
geschaltet sind. Diese Anordnung kann aber mit dem erfindungsgemäßen Schwingkreis nicht verglichen werden.
insbesondere ist ein spannungsgesteuerter Oszillator bei der bekannten Anordnung nicht vorgesehen.With the device according to the invention it is possible to continuously measure the amount of change in the measuring coil inductance by measuring the output voltage of the phase comparison circuit,
ίο DieUS-PS41 60 204 shows an eddy current distance measuring device with measuring bridge, whereby a coil and a capacitor are connected in parallel for temperature compensation. However, this arrangement cannot be compared with the resonant circuit according to the invention. in particular, a voltage-controlled oscillator is not provided in the known arrangement.
Gemäß der US-PS 38 51 242 wird ein Oszillator mit LC-Brücke als Wandler verwendet und eine Annäherung
des Metallgegenstandes durch Änderungen in der Schwingungsfrequenz des Oszillators gemessen. Dadurch
können aber die oben geschilderten Vorteil des Anmeldungsgegenstandes, die auf der Verwendung
eines spannungsgesteuerten Oszillators mit veränderlicher Frequenz beruhen, nicht erzielt werden.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung ist in Anspruch 2 unter Schutz gestellt.According to US Pat. No. 3,851,242, an oscillator with an LC bridge is used as a transducer and an approach of the metal object is measured by changes in the oscillation frequency of the oscillator. As a result, however, the advantages of the subject of the application described above, which are based on the use of a voltage-controlled oscillator with a variable frequency, cannot be achieved.
An expedient development of the invention is protected in claim 2.
Anhand der Figuren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigtAn exemplary embodiment of the invention is explained in more detail with the aid of the figures. It shows
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik,1 shows a block diagram of a device according to the prior art,
F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,F i g. 2 shows a block diagram of an embodiment of the invention,
F i g. 3 eine Kurve mit einem Meßwertbeispiel für die lnduktanzänderung AL/L (Ordinate) einer Meßspule in Abhängigkeit von der Temperatur 7"(Abszisse),F i g. 3 shows a curve with an example of a measured value for the change in inductance AL / L (ordinate) of a measuring coil as a function of the temperature 7 "(abscissa),
Fig.4 eine Kurve mit einem Meßwertbeispiel der Änderung der Ausgangsspannung Δ VV V0 eines Verstärkers (Ordinate) in Abhängigkeit von der Temperatur T der Meßspule (Abszisse),4 shows a curve with a measured value example of the change in the output voltage Δ VV V 0 of an amplifier (ordinate) as a function of the temperature T of the measuring coil (abscissa),
F i g. 5 eine Kurve mit einem Meßwertbeispiel der Ausgangsspannung Vb (Ordinate) des Verstärkers der Vorrichtung zur Abstandsmessung gemäß der Erfindung in Abhängigkeit vom zu messenden Abstand D (Abszisse).F i g. 5 shows a curve with an example of a measured value of the output voltage Vb (ordinate) of the amplifier of the device for distance measurement according to the invention as a function of the distance D to be measured (abscissa).
In Fig. 1 ist als Beispiel eine Vorrichtung zur Abstandsmessung der eingangs erwähnten Art nach dem Stand der Technik dargestellt.In Fig. 1 is an example of a device for distance measurement of the type mentioned the prior art.
Darin bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Metallkörper, 2 einen Bezugsoszillator, 3 eine rvießspule, 4 einen ><> Verstärker und Zs eine Rückkoppelungsimpedanz. Der Oszillator 2 liefert ein Wechselstromsignal mit fester Frequenz und fester Amplitude an den Verstärker 4. Der Ausgang des Verstärkers 4 wird an die Meßspule 3 über die Rückkoppelungsimpedanz Zs angelegt, so daß, wenn der von der Meßspule 3 erzeugte Wechsel-Magnetfluß den Metallkörper 1 durchdringt, im Metallkörper ! Wirbelströme induziert werden und die dadurch bedingte Rückwirkung eine Ändorung der Impedanz Z der Meßspule 3 bewirkt, so daß sich der Rückkoppebo lungsfaktor ßp=Z/(Z+ Zs) ändert. Demzufolge ändert sich die Ausgangsspannung Vb des Verstärkers 4 mit den. Abstand zwischen der Meßspule 3 und dem Metallkörper 1. Somit ist es durch Messen der Ausgangsspannung V0 möglich, den Abstand zwischen der Meßspule 3 und dem Metallkörper 1 berührungsfrei zu messen.The reference number 1 denotes a metal body, 2 a reference oscillator, 3 a casting coil, 4 an amplifier and Zs a feedback impedance. The oscillator 2 supplies an alternating current signal with a fixed frequency and a fixed amplitude to the amplifier 4. The output of the amplifier 4 is applied to the measuring coil 3 via the feedback impedance Zs , so that when the alternating magnetic flux generated by the measuring coil 3 penetrates the metal body 1 , in the metal body! Eddy currents are induced and the resulting reaction causes a change in the impedance Z of the measuring coil 3, so that the Rückkoppebo treatment factor ßp = Z / (Z + Zs) changes. As a result, the output voltage Vb of the amplifier 4 changes with the. Distance between the measuring coil 3 and the metal body 1. Thus, by measuring the output voltage V 0, it is possible to measure the distance between the measuring coil 3 and the metal body 1 without contact.
Die in Fi g. 1 gezeigte Vorrichtung zur Abstandsmessung durch Wirbelströme mit einem rückgekoppeltenThe in Fi g. 1 shown device for distance measurement by eddy currents with a feedback
Verstarker weist folgende Nachteile auf: Vor allem ändert sich die Impedanz der Meßspule mehr oder weniger bei Temperaturschwankungen derselben, und es war bisher unmöglich, die Auswirkungen solcher Temperaturschwankungen auf die Ausgangskennlinie für den Abstand zwischen der Meßspule 3 und dem Metallkörper 1 mit hoher Genauigkeit zu kompensieren. Die Änderung der Impedanz der Meßspule 3 in Abhängigkeit von der Temperatur schwankt je nach Material und Größe des Spulenkörpers, dem Wick- !ungsverfahren usw. der Meßspule 3. So ändert sich z. B. bei einem gegebenen Spulenkörper mit Ferritkern, einem ferromagnetischen Material, die Permeabilität des Ferrits mit der Temperatur, und die Änderungskennlinie weist ein Hysterese-Verhalten bezüglich der is Temperaturänderung auf. Die Verwendung solcher Ferritkerne erschwert die Temperaturkompensierung der Ausgangskennlinien.Amplifier has the following disadvantages: Above all, the impedance of the measuring coil changes more or more less with temperature fluctuations of the same, and it has hitherto been impossible to examine the effects of such Temperature fluctuations on the output characteristic for the distance between the measuring coil 3 and the Compensate metal body 1 with high accuracy. The change in the impedance of the measuring coil 3 in Depending on the temperature fluctuates depending on the material and size of the bobbin, the winding ! ungsverfahren etc. of the measuring coil 3. B. for a given bobbin with ferrite core, a ferromagnetic material, the permeability of the ferrite with temperature, and the change characteristic shows a hysteresis behavior with respect to the is Temperature change on. The use of such ferrite cores makes temperature compensation more difficult the output characteristics.
Diese Nachteile werden durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgeschaltet, bei der die Schwingungsfrequenz eines Bezugsoszillators in Abhängigkeit von der Induktanz einer Meßspule geändert und anstelle der Rückkoppelungsimpedanz ein Widerstand verwendet wird, d. h. der imaginäre Anteil wird ausgeschaltet, wodurch der Rückkoppelungsfaktor (ßp) unabhängig von Temperaturschwankungen der Meßspule auf einem konstanten Wert gehalten wird.These disadvantages are eliminated by the device according to the invention, in which the oscillation frequency of a reference oscillator is changed as a function of the inductance of a measuring coil and a resistor is used instead of the feedback impedance, i.e. the imaginary component is eliminated, whereby the feedback factor (ßp) is independent of temperature fluctuations the measuring coil is kept at a constant value.
Anhand von F i g. 2 bis 5 wird nunmehr eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben. In Fig.2 bezeichnet die Bezugszahl 1 jo einen Metallkörper, 3 eine Meßspule und 4 einen Verstärker, und diese Teile gleichen den in bezug auf F i g. 1 beschriebenen. Das Bezugszeichen Rp bezeichnet einen Rückkoppelungswiderstand, Co einen Kondensator eines Parallelschwingkreises, 5 einen span- J5 nungsgesteuerten Oszillator (VCO), dessen Schwingungsfrequenz sich in Abhängigkeit von einer Steuergleichspannung ändert, und 6 eine Phasenvergleichsschaltung. Die in F i g. 2 dargestellte Meßspule 3 und der Kondensator Co bilden einen Parallelschwingkreis, dessen kombinierte Impedanz Zo bei der Eigenschwingfrequenz fo durch die folgende Gleichung (1) gegebenBased on FIG. 2 to 5 a preferred embodiment of the invention will now be described in more detail. In Fig. 2, reference numeral 1 jo denotes a metal body, 3 a measuring coil and 4 an amplifier, and these parts are the same as those in relation to Fig. 1. 1 described. The reference symbol Rp denotes a feedback resistor, Co a capacitor of a parallel resonant circuit, 5 a voltage-controlled oscillator (VCO) whose oscillation frequency changes depending on a DC control voltage, and 6 a phase comparison circuit. The in F i g. The measuring coil 3 shown in FIG. 2 and the capacitor Co form a parallel resonant circuit, the combined impedance Zo of which is given by the following equation (1) at the natural oscillation frequency fo
_ 2 π ■ fo ■ L _ 2 π ■ fo ■ L
Zo = γZo = γ
y+Q-Ιπ foLy + Q-Ιπ foL
(D(D
4545
5050
worin γ den Widerstand der Meßspule, L die Induktanz der Meßspule und ωο(2πίο) die Kreisfrequenz darstellen.where γ represents the resistance of the measuring coil, L the inductance of the measuring coil and ωο (2πίο) the angular frequency.
Wie bekannt, enthält die kombinierte Impedanz Zo des Parallelschwingkreises bei der Eigenschwingfrequenz fo nur einen reellen Anteil. Der Parallelschwingkreis und der Rückkoppelungswiderstand Rp bilden den Rückkoppelungskreis des Verstärkers 4, und an den Verstärker 4 ist die Schwingspannung des Oszillators 5 angelegt, der mit einer Frequenz fm schwingt, die im wesentlichen gleich der Eigenschwingfrequenz fo des Parallelschwingkreises ist Diese Schwingspannung wird zunächst vom Verstärker 4 verstärkt und wird dann an die Phasenvergleichsschaltung 6 angelegt Die Ausgangsspannung des Oszillators 5 wird ebenfalls an die Phasenvergleichsschaltung 6 angelegt so daß der Phasenunterschied zwischen den angelegten Spannungen gemessen wird, und die Phasenvergleichsschaltung 6 erzeugt eine Gleichspannung, die dem Phasenunterschied entspricht. Diese Gleichspannung wird dann dem Oszillator 5 zugeführt, um diesen dergestalt zu steuern, daß die Schwingfrequenz fm des Oszillators 5 gleich der Eigenschwingfrequenz fo des Parallelschwingkreises wird, und die Phase der Ausgangsspannung des Oszillators 5 starr gekoppelt wird.As is known, the combined impedance Zo of the parallel resonant circuit contains only a real component at the natural oscillation frequency fo. The parallel resonant circuit and the feedback resistor Rp form the feedback circuit of the amplifier 4, and the oscillating voltage of the oscillator 5 is applied to the amplifier 4, which oscillates at a frequency fm which is essentially equal to the natural oscillation frequency fo of the parallel oscillating circuit The output voltage of the oscillator 5 is also applied to the phase comparison circuit 6 so that the phase difference between the applied voltages is measured, and the phase comparison circuit 6 generates a DC voltage corresponding to the phase difference. This direct voltage is then fed to the oscillator 5 in order to control it in such a way that the oscillation frequency fm of the oscillator 5 becomes equal to the natural oscillation frequency fo of the parallel oscillating circuit, and the phase of the output voltage of the oscillator 5 is rigidly coupled.
Falls die Induktanz der Meßspule 3 sich mit ihrer Temperatur ändert, so ändert sich auch die Eigenschwingfrequenz fo, und das Ausmaß der Änderung wird durch folgende Gleichung (2) gegebenIf the inductance of the measuring coil 3 changes with its temperature, the natural oscillation frequency fo also changes, and the extent of the change is given by the following equation (2)
AL/L = (fo/fo'Y - 1 AL / L = (fo / fo'Y - 1
worinwherein
L = L =
AL = AL =
fo = fo' = fo = fo ' =
Induktanz der Meßspule
Impedanzänderung der Meßspule mit der MeßspulentemperaturInductance of the measuring coil
Change in impedance of the measuring coil with the measuring coil temperature
Eigenschwingfrequenz des Parallelschwingkreises vor der Temperaturänderung
Eigenschwingfrequenz des Parallelschwingkreises nach der Temperaturänderung.Natural frequency of the parallel resonant circuit before the temperature change
Natural frequency of the parallel resonant circuit after the temperature change.
Somit wird die kombinierte Impedanz Zo des Parallelschwingkreises automatisch gesteuert, so daß selbst dann, wenn der Wert der Induktanz L der Meßspule 3 zunimmt, die Eigenschwingfrequenz fo abnimmt und somit die kombinierte Impedanz Zo konstant gehalten wird. Wenn die kombinierte Impedanz Zo konstant gehalten wird, wird auch der RückkoppelungsfaktorThus, the combined impedance Zo of the parallel resonant circuit is automatically controlled so that even if the value of the inductance L of the measuring coil 3 increases, the natural oscillation frequency fo decreases and thus the combined impedance Zo is kept constant. If the combined impedance Zo is kept constant, the feedback factor also becomes
ßp = (ZoZ(Rp + Zo) ßp = (ZoZ (Rp + Zo)
konstant gehalten, und die Ausgangsspannung V0 des Verstärkers 4 bleibt ebenfalls konstant.held constant, and the output voltage V 0 of the amplifier 4 also remains constant.
Fig.3 zeigt Meßergebnisse der Änderung der Induktanz L der Meßspule 3 in Abhängigkeit von der Temperatur. F i g. 4 zeigt Messungen der Änderung der Ausgangsspannung des Verstärkers 4 in Abhängigkeit von der Temperaturänderung der Meßspule 3. Die gestrichelte Linie zeigt die Änderungen der Ausgangsspannung beim Schaltungsaufbau von F i g. 1, und die ausgezogene Linie zeigt die Änderungen der Ausgangsspannung beim Schaltungsaufbau von Fig.2. Fig.5 zeigt Messungen, die sich mit der Vorrichtung zur Abstandsmessung von F i g. 2 ergeben.3 shows measurement results of the change in the inductance L of the measuring coil 3 as a function of the temperature. F i g. 4 shows measurements of the change in the output voltage of the amplifier 4 as a function of the change in temperature of the measuring coil 3. The dashed line shows the changes in the output voltage in the circuit structure of FIG. 1, and the solid line shows the changes in output voltage in the circuit configuration of FIG. FIG. 5 shows measurements that can be made with the device for measuring the distance from FIG. 2 result.
Durch die oben beschriebene Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:The invention described above results in the following advantages:
5555
6060
a) Da der Kondensator Co mit der Meßspule 3 zu einem Parallelschwingkreis geschaltet ist dessen Eigenschwingfrequenz sich mit der Änderung der Induktanz der Meßspule auch dann ändert, wenn die Induktanz der Meßspule aufgrund von Temperaturschwankungen sich ändert wird der Rückkoppelungsfaktor konstant gehalten, so daß es möglich wird, die Auswirkungen von Temperaturschwankungen automatisch zu kompensieren.a) Since the capacitor Co is connected to a parallel resonant circuit with the measuring coil 3, the natural frequency of which changes with the change in the inductance of the measuring coil, even if the inductance of the measuring coil changes due to temperature fluctuations, the feedback factor is kept constant so that it becomes possible to automatically compensate for the effects of temperature fluctuations.
b) Da die Schwingfrequenz des Oszillators 5 gleich der Eigenschwingfrequenz des Schwingkreises ist und die kombinierte Impedanz des Schwingkreises nur den reellen Teil enthält wird die Stabilität der Vorrichtung zur Abstandsmessung verbessert und auch ihre Justierung vereinfachtb) Since the oscillation frequency of the oscillator 5 is equal to the natural oscillation frequency of the oscillating circuit and the combined impedance of the resonant circuit only contains the real part becomes the stability of the Device for distance measurement improved and its adjustment simplified
c) Der verwendete Oszillator braucht kein hochstabi-c) The oscillator used does not need a highly stable
ler Oszillator zu sein, der Steuerquarze oder dergleichen enthält.To be an oscillator that contains control crystals or the like.
d) Die in Fig.2 mit einer gestrichelten Linie A eingefaßten Schaltungsteile können durch einen integrierten Phasenregelkreis ersetzt werden, wodurch sich eine weitere Vereinfachung des Schal-d) The circuit parts enclosed by a dashed line A in FIG. 2 can be replaced by an integrated phase-locked loop, which further simplifies the circuit.
tuiigsaufbaus ergibt.tuiigsaufbaus results.
e) Durch Messen der Ausgangsspannung der Phasenvergleichsschaltung 6 ist es möglich, den Änderungsbetrag der Induktanz der Meßspule 3 laufend zu messen.e) By measuring the output voltage of the phase comparison circuit 6, it is possible to continuously measure the amount of change in the inductance of the measuring coil 3.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
Claims (2)
Applications Claiming Priority (1)
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| JP8747279A JPS5612502A (en) | 1979-07-12 | 1979-07-12 | Feedback amplification type vortex flow range finder |
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Family
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Family Applications (1)
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Country Status (4)
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Cited By (1)
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- 1980-07-11 DE DE19803026389 patent/DE3026389C2/en not_active Expired
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1988006268A1 (en) * | 1987-02-18 | 1988-08-25 | Toernblom Bengt Hialmar | Apparatus for measuring or testing dimension or contour through measuring distance |
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