DE68920188T2

DE68920188T2 - Positionskompensationswindung für Wegaufnehmer.

Info

Publication number: DE68920188T2
Application number: DE68920188T
Authority: DE
Inventors: Robert W. Athens Ohio 45701 Redlich; Christopher G. Athens Ohio 45701 Scheck
Original assignee: Data Instruments Inc
Current assignee: Honeywell Data Instruments Inc
Priority date: 1988-01-22
Filing date: 1989-01-22
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2009-01-23
Also published as: EP0595366A1; DE68928063D1; DE338966T1; EP0338966A3; ATE116431T1; ATE153443T1; DE68920188D1; DE68926970T2; DE68926970D1; EP0595366B1; DE68928063T2; ATE141404T1; EP0595367B1; EP0595367A1; EP0338966A2; EP0338966B1

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Wegaufnehmer von der Bauart mit einer Spule und einein elektrisch leitenden, nicht-ferroinagnetischen Wandkörper, der sich in Bezug auf die Spule teleskopartig bewegt und von einem Signal einer ausreichend hohen Frequenz erregt wird, so daß der Skineffekt in dem Wandkörper eine Bewegung des Wandkörpers nicht zuläßt, wobei sich der magnetische Widerstand des Spulenflußpfads und demzufolge dessen Induktivität ändert, und zwar näherungsweise proportional zur Verschiebung.
Ein linearer Wegaufnehmer dieser Bauart ist in dem älteren US-Patent 4,667,158 offenbart und in Fig. 1 dargestellt. Der Aufnehmer besteht aus einer schraubenförmigen Spule 2 eines elektrischen Leiters, der mit konstanter Steigung auf eine zylindrische, dünnwandige Röhre oder Spule 1 eines elektrischen Isolators oder eines schlechten Leiters wie bspw. rostfreiem Stahl aufgewickelt ist. Bevorzugt weist die Röhre darüber hinaus günstige Eigenschaften auf, um als Trockenlager zu dienen, dessen Oberfläche z.B. aus Teflon gebildet ist. Die schraubenförmige Spule 2 ist an dem ersten von zwei relativ zueinander bewegbaren Körpern befestigt, deren Relativbewegung gemessen werden soll.
Ein nicht-ferromagnetischer, elektrisch leitfähiger Stab oder vorzugsweise eine Röhre bildet einen Kern 3, der in der Spule 1 verschiebbar ist. Dieser besteht bspw. aus Aluminium oder Kupfer und ist an dein zweiten der beiden relativ zueinander bewegbaren Körper befestigt.
Vorzugsweise ist die Spule von einem Pfad mit niedrigem und konstanten, magnetischen Widerstand umgeben, so daß Änderungen der Spuleninduktivität in Abhängigkeit von der Bewegung des Kerns 3 maximal werden. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, daß ein Werkstoff mit hoher magnetischer Permeabilität, aber niedriger elektrischer Leitfähigkeit, wie bspw. Ferrit 5, die Spule umgebend angeordnet wird. Dieser Werkstoff erzeugt den gewünschten, niedrigen magnetischen Widerstand, während die Ausbildung nennenswerter Wirbelströme unterbunden wird und ein substantieller Skineffekt nicht auftritt.
Vorzugsweise ist dieser Werkstoff mit hoher Permeabilität, aber niedriger Leitfähigkeit selbst von einer röhrenförmigen Abschirmung 4 mit hoher elektrischer Leitfähigkeit umgeben, um das Feld der Spule auf den Ferrit 5 und die Oberflächenschicht der Abschirmung 4 zu begrenzen und externe Felder an einer Verkoppelung mit der Spule 2 abzuhalten. Die Abschirmung 4 begrenzt den magnetischen Fluß, der von durch den Stroin in der Spule 2 hervorgerufenen Streufeldern verursacht wird, und schirmt ihn innerhalb eines weiten Frequenzbereichs ab. Sie besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff mit sowohl hoher elektrischer Leitfähigkeit wie auch hoher magnetischer Permeabilität, wie bspw. Weicheisen oder Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.
Eine elektrische Wechselstrom-Energiequelle 6 und eine Detektor-Schaltkreisanordnung 7, bevorzugt in der Form einer Brückenschaltung, sind elektrisch an die Spule 2 angeschlossen. Die Wechselstromquelle 6 arbeitet bei einer Frequenz, die vorzugsweise in dein Bereich von 50 - 200 kHz liegt und als Trägerfrequenz fc bezeichnet werden soll. Eine wichtige Schlüsselbedingung für eine effiziente und effektive Betriebsart eines Aufnehmers dieser Bauart ist, daß die Frequenz der Quelle 6 ausreichend hoch sein muß, damit die Tiefe der von dem Skin-Effekt betroffenen Schicht in dem Kern 3 substantiell geringer ist als der Radius des Kerns und geringer als die Wandstärke der Röhre.
Die Quelle 6 treibt die Spule über einen Widerstand 8, dessen Widerstand viel größer ist als die induktive Reaktanz der Spule und der daran anschließenden Strukturen, so daß der Aufnehmer effektiv durch eine Stromquelle betrieben wird. Aus diesem Grund beträgt die Spannung über der Aufnehinerspule 5 näherungsweise (V/R) * (2 pi fc L).
Der Detektorschaltkreis 7 erfaßt an dein AM-Detektor 9 ein Signal, das zu der Induktivität der Spule 2 und der daran anschließenden Strukturen proportional ist. Die Spulenspannung ist proportional zur Spuleninduktivität, welche wiederum proportional zur Verschiebung des Kerns 3 ist.
Bei einem Betrieb des Wegaufnehmers nach Fig. 1 nach dein grundlegenden Konzept erregt die Wechselstromquelle 6 den Brückenschaltkreis, der wiederum in einem seiner Zweige die Meßwandlerspule 2 enthält. Da sich bei der Frequenz, mit der die Wechselstromquelle 6 arbeitet, ein Skineffekt ausbildet, werden die magnetischen Felder innerhalb des Kerns 3 auf eine dünne Schicht begrenzt, die näherungsweise gleich der Summe aus der Skin-Tiefe in dein Kernmaterial, welche typischerweise in der Größenordnung von 0,25 mm Dicke liegt, plus dem Abstand vom Äußeren des Kerns 3 bis zum Inneren der Spule 2 ist. Da die Skin-Tiefe beträchtlich geringer ist als der Radius des Kerns, wird der magnetische Fluß auf einen Pfad in dem Bereich des Kerns 3 begrenzt, der ein bedeutend kleineres Querschnittsgebiet umfaßt als der Flußpfad bei fehlendem Kern 3. Da der magnetische Widerstand umgekehrt proportional zum Querschnittsbereich des Flußpfades ist, hat der Kern 3 den Effekt einer beträchtlichen Erhöhung des magnetischen Widerstands und demzufolge einer erheblichen Reduzierung des magnetischen Flusses in dem Bereich des Kerns. Bei nur teilweise in die Spule 2 des Wegaufnehmers eingeschobenem Kern 3 kann der Innenraum der Spule 2 unterteilt werden in den vom Kern 3 eingenommenen Bereich, wo der magnetische Fluß niedrig ist, und in den Bereich, der nicht von dem Kern eingenommen wird, wo der magnetische Fluß im Vergleich zum Kernbereich relativ hoch ist.
Aus diesem Grund sind die Flußverkettungen der Spule als Folge des Einschiebens des Kerns substantiell reduziert, wobei die Reduzierung proportional zu der in die Spule 2 eingeschobenen Länge des Kerns ist. Dieser Effekt wiederum reduziert die Selbstinduktivität der Spule 2 in proportionalem Verhältnis. Auf diese Art beeinflußt der verschiebbare Kern die Selbstinduktivität und die Impedanz und verändert demzufolge den Spannungsabfall über dein Wegaufnehmer in proportionalem Verhältnis zu seiner Verschiebung.
Während den mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleuten eine große Anzahl von Detektorschaltkreisen bekannt sind, mit denen ein Signal erfaßt werden kann, welches zu den Änderungen in der Spuleninduktivität oder -spannung proportional ist, arbeitet der Detektorschaltkreis gein. Fig. 1 zufriedenstellend. Eine Brückenschaltung ist so ausgelegt, daß die Wechselstromamplitude mit Hilfe eines einstellbaren Widerstandes 10 abgeglichen werden kann, wenn sich der Kern 3 mittig innerhalb der Spule 2 befindet. Die Wechselstromquelle 6 liefert ein Signal mit der Frequenz fc Die Amplitude des Meßwandler-Ausgangssignals an dein Schaltungsknoten 11 der Brücke hat eine Frequenz fc und ist proportional zur Verschiebung des Kerns 3. Die Amplitude des Abgleichsignals derselben Frequenz fc an dem gegenüberliegenden Schaltungsknoten 12 ist so eingestellt, daß sie der Amplitude des Meßwandler-Ausgangßsignals am Knoten 11 entspricht, wenn der Kern 3 sich genau mittig innerhalb der Spule 2 befindet. Eine Detektor-Schaltkreisanordnung mit zwei AM-Detektoren 9A und 9B und einein Differenzverstärker 14 dient dazu, die Differenz zwischen den Modulationsamplituden an den Schaltungsknoten 11 und 12 zu ermitteln.
Die Verschiebung des Kerns 3 ruft effektiv eine Amplitudenmodulation des Signal am Anschluß 11 hervor, deren Amplitude proportional zur Verschiebung des Kerns 3 ist und mittels des AM-Detektors 9B erfaßt wird, um ein Ausgangssignal zur Verfügung zu stellen, das direkt proportional zur Verschiebung des Kerns 3 ist. Das Abgleichsignal am Schaltungsknoten 12 wird vermittels eines AM-Detektorschaltkreises 9A ausgewertet. Die Ausgangssignale der zwei AM-Detektoren 9A und 9B werden einem Differenzverstärker 14 zugeführt, dessen Ausgang ein Signal Vout liefert, das proportional zur Verschiebung des Kerns 3 ist. Weitere Details des grundlegenden Konzepts sind in dem oben genannten US-Patent ausführlich beschrieben.
Ein Problem bei einem Meßwandler, der nach der obigen Beschreibung konstruiert ist, liegt darin, daß seine Induktivität und demzufolge die Ausgangsspannung der Detektoranordnung nicht exakt proportional zu der in Fig. 1 mit x bezeichneten Verschiebung des Kerns 3 gegenüber der Spule 2 ist. Die relative Verschiebung x wird als Position des inneren Endes 18 des Kerns 3 im Verhältnis zum rechten Ende 24 der Spule 2 gemessen. Falls sich der Wegaufnehmer wie ein idealer, linearer Meßwandler verhielte, wäre die Ausgangsspannung proportional zur Verschiebung x, d.h., dV/dx wäre über der gesamten Länge der Spule konstant.
Bei der einfachen, in Fig. 1 dargestellten Spule verringert sich jedoch stattdessen die Größe dV/dx, wenn die Verschiebung x zunimmt, so daß die Übertragungsfunktion, in Fig. 3 mit Vu(x) bezeichnet, gegenüber der ideal linearen Beziehung Vo(x) zurückbleibt, wenn x zunimmt. Dieser Effekt hat zwei Gründe.
Der Verlust innerhalb der Vorrichtung von Fig. 1 wächst an, wenn der Kern 3 weiter in die Spule 2 hineingeschoben wird. Die Verluste werden größer, wenn der Kern weiter eingeschoben wird, weil der Kern selbst mit relativ starken Verlusten behaftet ist und sich demzufolge ein größerer Anteil des verlustbehafteten Kerns innerhalb des Feldes befindet, wenn sich der Einschub oder die Verschiebeposition x vergrößert.
Die Inhomogenität des Flusses in dein Übergangsbereich 23 in der Nähe des linken Endes des Kerns 3 trägt ebenfalls deutlich zu dieser Nichtlinearität bei. Figur 1 zeigt einen Teil der Flußlinien 20, welche in dem Übergangsbereich 23 des Flusses 22 eine Radialkomponente aufweisen, um sich den Grenzen des homogenen Flusses von den gegenüberliegenden Seiten der Übergangsregion 23 anzunähern. Dieser Übergangsbereich erzeugt einen Endeffekt, der mit zunehmender Verschiebung des Kerns 3 eine sich vergrößernde Abweichung von der Linearität verursacht. Der Grund für die Zunahme der Endeffekte beiin Einschieben des Kerns 3 in die Spule 2 liegt darin, daß der Übergangsbereich 23 bei zunehmendem Einschub x einen zunehmend größeren Teil desjenigen Segments der Spule 2 einnimmt, der nicht Von dem Kern 3 erfüllt ist. Natürlich gibt es keine scharfe Grenze des Übergangsbereichs. Wir haben jedoch festgestellt, daß die Endeffekte in einem Abstand von etwa drei Spulendurchmessern von dem Ende 18 des Kerns 3 vernachlässigt werden können.
Die gesamte Abweichung der Übertragungsfunktion Vu(x) der in Fig. 1 dargestellten, einfachen und unkompensierten Spule von der Übertragungsfunktion Vo(x) einer idealen, linearen Spule wird in Fig. 3 als FEHLER bezeichnet.
Daher liegt ein Problem darin, diesen Fehler zu eliminieren, so daß das Meßwandler-Ausgangssignal eine fehlerfreiere und präzise lineare Funktion der Kernverschiebung innerhalb der Spule darstellt.
Aus der DE-A-33 03 994 ist ein Wegaufnehmer zur Messung kurzer Entfernungen zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Körpern bekanntgeworden. Dieser Meßwandler umfaßt eine elektromagnetische Spule, die auf einen hohlen, dielektrischen Trägerkörper aufgewickelt ist, sowie einen Ferritkern, der innerhalb des Trägerkörpers längsverschiebbar angeordnet ist, um die Induktivität der Spule zu verändern. Darüber hinaus gibt es einen Oszillatorschaltkreis mit einem Abstimmschaltkreis zur Steuerung seiner Frequenz, wobei die besagte Spule einen Teil des Abstimmschaltkreises darstellt und eine nichtlineare Wicklung aufweist, so daß die Ausgangsfrequenz des Oszilatorschaltkreises sich proportional zu der relativen Eindringtiefe des Kern s in der Spule verändert. Die Spule kann eine variable Steigung aufweisen oder eine gleichbleibende Steigung mit Sektionen, welche mehrere Schichten haben. Auf jeden Fall ist zur Herstellung eine Wicklungsmaschine notwendig, die in der Lage ist, die Steigung der erzeugten Windungen kontinuierlich zu verändern. Um diese Art einer Wicklung zu erzeugen, sollte der Spulenträgerkörper aus einein vorgeformten Teil gebildet sein, welches eine schraubenartige Nut mit kontinuierlich variierender Steigung zur Aufnahme des aufgewickelten Drahts aufweist.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, die Verbesserung des Wegaufnehmers auf eine Art zu erzeugen, die eine ökonomische Massenproduktion ermöglicht.
Die Erfindung verbessert die oben beschriebene Wegmeßanordnung vermittels einer Kompensationswicklung, die in koaxialer Beziehung zu der Spule gewunden ist. Die Kombensationswicklung hat eine Steigung, die eine degressive Funktion des Abstands x zu demjenigen Ende der Spule ist, welches der Wandung des Kerns am nächsten liegt, wenn der Kern und die Spule sich in inaximal ineinandergreifendem Zustand befinden. Die Kompensationswicklung ist in der Lage, die Nichtlinearität in der Spuleninduktivität und der Verschiebung der Kernberandung zu erniedrigen und im Idealfall gänzlich zu eliminieren.
Die beigefügte Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine diagrammatische und schematische Darstellung, die den aus dem Stand der Technik bekannten Meßwandler samt Meßgerät gem. dem früheren US-Patent 4 667 158 offenbart,
Fig.2 eine Seitenansicht der Kompensationswicklung gem. der vorliegenden Erfindung,
Fig.2A einen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 3 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Konstruktion und Betriebsweise der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 zeigt den die Spule enthaltenden Teil eines Wegmeßaufnehmers mit der erfindungsgemäßen Kompensationswicklung. Die einfache, unkomplizierte Spule 30 beginnt an ihrem linken Ende 32 bei dem Leiteranschluß 34. Sie erstreckt sich in schraubenförmigen Windungen bis zum rechten Ende 36 des Leiters. Der selbe Leiter setzt sich sodann in umgekehrter Richtung fort, um die Kompensationsfiguren 38 gem. der vorliegenden Erfindung zu bilden, welche bei dem rechten Ende 36 der Spule 30 beginnt und in doppelter Lage über die Hauptwindung 30 zurückführt, um bei dein Leiteranschluß 40 zu enden. Eine Kompensationswicklung besteht im allgemeinen aus wenigen Windungen, hat aber eine fließend und gleichmäßig abnehmende Steigung, während sie vom rechten zum linken Ende der unkompensierten Hauptwicklung 30 fortschreitet. Insbesondere hat die Kompensationswicklung eine Steigung, die eine degressive Funktion des Abstands von deinjenigen Ende der Spule 30 ist, welches dem Kern 3 oder dem verschiebbaren Wandkörper 50 am nächsten liegt, wenn die Spule und der Wandkörper sich in ihrem maximal ineinandergreifenden Zustand befinden.
Die Kompensationswicklung ist in koaxialem, vorzugsweise teleskopartigem Verhältnis zu der Spule gewunden, entweder innerhalb oder außerhalb der unkompensierten Hauptwicklung 30. Die Kompensationswicklung kann sich, wie in Fig. 2A dargestellt, innerhalb des Innenraums der unkompensierten Hauptwicklung befinden. Dies ermöglicht Ausführungsformen der Erfindung, bei denen der verschiebbare, aus elektrisch leitfähigein, nicht-ferromagnetischem Werkstoff bestehende Wandkörper aus einer Röhre 50 gebildet ist, die die Hauptwicklung 52 umgibt, anstelle innerhalb dieser zu gleiten. Die Koinpensationswicklung ist in der selben Richtung gewunden wie die unkompensierte Hauptwicklung 30 und stellt bevorzugt eine Fortsetzung des identischen Spulenleiters dar.
Eine Kompensationsspannung, die genauso groß ist wie die Abweichung, jedoch entgegensetzt gerichtet, wird in der Kompensationswicklung induziert und zu der Spannung über der Hauptwicklung addiert. Die Abweichung (Fehler) ist die Differenz zwischen der ideal linearen Funktion Vo(x) und der in Fig. 3 dargestellten, nichtlinearen Funktion Vu(X) einer unkompensierten Spule.
Die Struktur der Kompensationswicklung kann durch Anwendung von Konstruktionsgleichungen optimiert werden, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in der Absicht entwickelt wurden, die Kompensation optimal zu gestalten und dadurch die Übertragungsfunktion des Meßwandlers substantiell zu linearisieren. In Fig. 3 der Zeichnung ist als lineare Übertragungsfunktion die einer Verschiebung x des Meßwandlers entsprechende Ausgangsspannung V dargestellt, und zwar sowohl für eine ideal lineare Übertragungsfunktion Vo(x) als auch für eine tatsächlich gemessene und als Graph aufgezeichnete Übertragungsfunktion Vu(x) einer unkompensierten Spule. Die Differenz zwischen den Graphen dieser beiden Funktionen stellt die Abweichung dar, welche die Kompensationswicklung kompensieren und dadurch eliminieren sollte. In Figur 3 ist die Abweichung bei zwei unterschiedlichen Verschiebepositionen x und x + Δ x dargestellt.
Die unkompensierte Hauptwicklung und die Kompensationswicklung werden mit Hilfe der folgenden Variablen beschrieben, von denen die meisten in Fig. 3 hervorgehoben sind.
Variablendefinitionen:
1. C = Umfang der unkompensierten Hauptspule.
2. No = Dichte der linearen Windungen der unkompensierten Hauptspule in Windungen/cm.
3. N(x) = Dichte der linearen Windungen der koinpensierten Spule in Windungen/cm sowie als Funktion von x.
4. Nc(x) = Dichte der linearen Windungen der Kompensationswicklung in Windungen/cm sowie als Funktion von x.
5. x = Position des Kerns in cm.
6. Δ x = Inkrementalverschiebung des Kerns von x zu x + Δ x.
7. Δ y = Umfangsmäßige Erstreckung der Kompensationswicklung in einem Inkrement Δ x in cm.
8. Δ Vu = Änderung der umkoinpensierten Ausgangsspannung, wenn der Kern sich von x zu x + Δ x bewegt, in Volt sowie als Funktion von x.
9. Δ Vo = Änderung der Ausgangsspannung eines idealen, linearen Meßwandlers, wenn der Kern sich von x zu x + Δ x bewegt, in Volt.
10. FEHLER = Vo - Vu, die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen eines idealen und eines unkompensierten Meßwandlers.
11. E = ΔVo - Δ Vu, die Änderung von FEHLER iin Inkrement Δ x.
12. (ΔVc) = Von der Kompensationswindung herrührende Änderungskomponente in der Ausgangsspannung des kompensierten Meßwandlers, wenn sich die Verschiebeposition von x zu x + Δ x verändert, in Volt sowie als Funktion von x.
13. Δ Tc = Anzahl der Windungen der Kompensationswicklung in jedem Inkrement Δ x.
Aus Figur 3 ist offensichtlich, daß die als E bezeichnete, inkreinentale Abweichung für den unkompensierten Meßwandler, also der Übergang von der Abweichung bei x zu der Abweichung bei x + Δ x, beschrieben werden kann durch die Gleichung:
14. E - Vu - Vo
Bei einein Meßwandler mit einer Kompensationwicklung entsprechend der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit entlang der Spule durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
15. N(x) = No + Nc(x)
Für jede von einer Stromquelle betriebene Induktivität mit substantiell konstantem N(x) sind die beiden folgenden Proportionalverhältnisse richtig, sofern Endeffekte klein sind:
16. Δ V = K&sub1;ΔL,
und
17. Δ L = K&sub2; N²(x) Δ x
deshalb gilt:
18. Δ V - K N²(x) Δ x
Durch Einsetzen von Gleichung 15 in Gleichung 18 ergibt sich:
19. Δ V = K[No + Nc(x)]² Δ x
Wenn wir die praxisgerechte Annahme inachen, daß No » Nc(x), dann vereinfacht sich Gleichung 19 zu:
20. Δ V = K Δ x(No² + 2No Nc(x))
Die zwei Therme auf der rechten Seite der Gleichung kann man dahingehend interpretieren, daß sie je eine Komponente der Änderung der Spulenspannung darstellen, welche von der unkompensierten Hauptwicklung ohne Endef fekte einerseits sowie von der Kompensationswicklung andererseits hervorgerufen werden. Dies kann ausgedrückt werden durch die Gleichungen:
21. ΔVo - KNo² Δ x,
und
22. (ΔVc) = 2KNoNcΔx
Mit Hilfe der Gleichungen 21 und 22 kann das folgende Proportionalverhältnis formuliert werden:
Das gewünschte Ergebnis ist die Eliminierung von E vermittels ΔVc Ausgehend von Gleichung 23, kann dieses Ziel erreicht werden, wenn:
24. Nc = NoE / (2ΔVo)
Gleichung 24 liefert für jedes Intervall Δ x zwischen den Positionen x und x + Δ x die Anzahl der Kompensationswindungen pro Zentimeter Nc(X) in diesem Intervall, d.h., den Reziprokwert des Abstands zwischen zwei Windungen der Kompensationswicklung.
Die Anzahl der Kompensationswindungen Δ Tc in dem Intervall x beträgt:
25. Δ Tc = NcΔx
Durch Einsetzen von Gleichung 25 in Gleichung 24 erhält man die Anzahl der Kompensationswindungen innerhalb des Inkrementalintervalls Δ x:
Dies kann ungeformt werden zu:
Weiterhin kann die auf eine Windung der unkompensierten Spule bei Vernachlässigung der Endef fekte bezogene Spannung VT berechnet werden zu:
Aus diesem Grund ergibt sich die Anzahl der Kompensationswindungen in jeder inkrementalen Entfernung von x bis x + Δ x durch die Gleichung:
Da die Anzahl der Windungen, wie dargestellt, oftmals einem Bruchteil einer Windung in einem Inkrement Δ x entspricht, läßt sich eine alternative Art der mathematischen Darstellung der Kompensationswicklung finden, bei der die Kompensationswicklung durch ihren Umfangsfortschritt als Funktion der Position x definiert wird. Da eine Windung der Wicklung einem Umfangsfortschritt von C entspricht, ergibt sich der Umfangsfortschritt Δ y in dem Inkrementalintervall Δ x durch:
30. Δ y = C Δ Tc
Demzufolge kann der Umfangsfortschritt unter Verwendung der Gleichungen 29 und 30 durch die folgende Formel bestimmt werden:
31. Δ y = CΔ(FEHLER) / (2 VT)
Um eine Kompensationswicklung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu konstruieren, wird eine unkompensierte Hauptspule in einen unkompensierten Meßwandler eingebaut und an einen Schaltkreis zur Messung der Verschiebeposition angeschlossen. Die Ausgangsspannung des AM- Detektors 9, die proportional zu dein Spannungsabfall über der Spule 2 von Fig. 1 ist, wird für jede einer Vielzahl voneinander beabstandeter Positionen des Kerns 3 innerhalb des Betriebsbereichs des Meßwandlers gemessen und aufgezeichnet. Die Meßergebnisse werden in Form eines Graphs ähnlich demjenigen von Fig. 3 zeichnerisch dargestellt, wobei diese graphische Darstellung die unkompensierte Übertragungsfunktion der Ausgangssignalamplitude als Funktion der Verschiebeposition wiedergibt. Hieraus ergibt sich eine graphische Darstellung von Vu(x). Daraufhin wird Vo(x) bestimmt, indem eine lineare Übertragungsfunktion in Form einer geraden Linie gefunden wird, welche die Tangente zu der unkompensierten Übertragungsfunktion Vu(x) in dein Punkt der Minimalverschiebung bei x = 0 darstellt.
Die Differenz zwischen diesen zwei graphisch aufgezeichneten Übertragungsfunktionen an jeder der Verschiebepositionen, bei welchen eine Messung gemacht wurde, stellt die Abweichung bei eben diesen Verschiebepositionen dar.
Die Differenz zwischen den Abweichungen bei jedem Paar von benachbarten Positionen stellt die Abweichung dar, die in Gleichung 31 einzusetzen ist. Um die Spannung VT pro Windung zu erhalten, wird die Anzahl der Windungen in dem Inkrement zwischen benachbarten Meßpositionen bestimmt, indem einfach die Gesamtzahl der Windungen in der umkompensierten Spule ermittelt, durch die Gesamtlänge der Spule dividiert und daraufhin mit der Länge des Inkrements Δ x multipliziert wird, um die Anzahl von Windungen in dem Inkrement Δ x zwischen jedem Paar von Meßpositionen zu erhalten. Die Spannung in jenem Inkrement Δ x kann auf einfachste Art dadurch bestimmt werden, daß die Spannung bei einer Position von der Spannung bei benachbarten Positionen subtrahiert wird. Eine Division dieser Spannungsdif ferenz durch die Anzahl von Windungen liefert den Wert VT für dieses Inkrement.
Daraufhin wird der Umfangsfortschritt der Kompensationswicklung zwischen jedem Paar benachbarter Positionen berechnet, indem diese beiden Werte in Gleichung 31 eingesetzt werden. Dies wird für jedes Paar benachbarter Verschiebepositionen durchgeführt, bis die vollständige, ununterbrochene Kompensationswindung auf die Hauptspule 30 aufgewunden ist.
Es ist vorteilhaft, die Spannung für Inkremente mit jeweils etwa 2 % der Spulenlänge graphisch aufzuzeichnen oder tabellarisch zu ordnen, um etwa 50 Meßwerte entlang des gesamten Bereichs zur Verfügung zu haben. Bevorzugt wird bei x = 0 begonnen, wo der Kern oder der äußere, verschiebbare Wandkörper etwa um die Hälfte eines Prozents in die Spule eingeschoben ist, um jegliche Anfangs-Endef fekte zu vermeiden. Es wurde ebenfalls festgestellt, daß es vorteilhaft ist, den Kern nicht weiter als bis zu einem Wert einzuschieben, der etwa dem eineinhalbfachen Durchmesser des Spulenendes entspricht, weil die Kompensationswicklung in diesem Bereich so kritisch wird, daß es sehr schwierig ist, den Meßwandler in diesem Bereich zu kompensieren.

Claims

1. Wegaufnehmer mit einer stromleitenden Spule (2, 30) zur Befestigung an einem ersten (1) von zwei relativbewegbaren Körpern (1, 3), mit einem elektrisch leitenden, nicht-ferromagnetischen Wandkörper, der teleskopartig mit der Spule (2, 30) verbunden und am zweiten Körper (3) zur axialen Verstellung relativ zur Spule (2, 30) befestigt ist, um deren relative Überlappung (x) und dadurch die Induktivität der Spule (2, 30) zu variieren, mit einer derart angeschlossenen Wechselstroinquelle (6), um ein Wechselstromsignal einer wenigstens so hohen Frequenz an die Spule (2, 30) zu legen, daß die auf dem Skinef fekt basierende Eindringtiefe in den Wandkörper kleiner als dessen körperliche Wanddicke ist, und mit einer an der Spule (2, 30) angeschlossenen Detektorschaltung (7) zur Erfassung eines zur Spuleninduktivität proportionalen Signals, und mit einer koaxial zur Spule (2, 30) gewundenen Kompensationswicklung (38), dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Kompensationswicklung (38) einer degressiven Distanzfunktion von demjenigen Ende der Spule (2, 30) entspricht, welches der Wand am nächsten liegt, wenn die Wand und die spule (2, 30) sich am wenigsten überlappen, wobei die Kompensationswicklung (38) sich wenigstens entlang der gesamten, wirksamen Spulenlänge erstreckt und die Nichtlinearität der Induktivitätsveränderung als Funktion der Wandverschiebung vermindert.

2. Wegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklung (38) auf das Äußere der Spule (2, 30) in gleicher Richtung wie die Spule (2, 30) gewunden ist und eine Fortsetzung des Spulenleiters bildet.

3. Wegaufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandkörper in das Innere der Spule (2, 30) schiebbar ist.

4. Wegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklung (38) innerhalb der Spule (2, 30) und in gleicher Richtung gewunden ist und eine Fortsetzung des Spulenleiters bildet.

5. Wegaufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandkörper in eine die Spule (2, 30) umgebende Eingriffsposition verschiebbar ist.

6. Wegaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der Steigung der kompensationswicklung (38) genügend zusätzliche Amperewindungen für die magnetische Spannung entstehen,um Relativverluste und Endeffekte auszugleichen, die sich mit der relativen Überlappung (x) der Spule (2, 30) und des Wandkörpers erhöhen.

7. Wegaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklung der folgenden Beziehung genügt

ΔTC = E / (2 * VT)

mit

VT = die Spannungsänderung über der unkompensierten Spule, wenn sich der Wandkörper von x zu x + Δ x geteilt durch die Anzahl der Windungen der unkompensierten Wicklung in dem Inkrementalintervall Δx bewegt;

E = Fehler, die Spannungsdifferenz zwischen der Spulenspannungsänderung einer unkompensierten Spule, wenn sich der Wandkörper von x zu x + Δ x bewegt, und der Veränderung der Spannung einer idealen, linearen, kompensierten Spule, wenn sich der Wandkörper von x zu x + Δ x bewegt;

ΔTC = Anzahl der Windungen der Kompensationswicklung (38) zwischen x und x + Δx;

x = eine erste Verschiebung vom besagten Spulenende (36);

Δx = die Inkrementalverschiebung von dem Spulenende (36) über x hinaus.

8. Wegaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklung der folgenden Beziehung genügt

Δ y = E * C / (2 * VT)

mit

VT = die Spannungsänderung über der unkompensierten Spule, wenn sich der Wandkörper von x zu x + Δ x geteilt durch die Anzahl der Windungen der unkompensierten Wicklung in dem Inkrementalintervall Δ x bewegt;

Δy = Umfangsfortschritt der Kompensationswicklung, wenn der Wandkörper von x nach x + Δ x geht;

x = eine erste Verschiebung vom besagten Spulenende (36); und

Δx = die Inkrementalverschiebung von dem Spulenende (36) über x hinaus.

9. Verfahren zur Bildung einer Kompensationswicklung (38) auf einem Wegaufnehmer mit einer stromleitenden Spule (2, 30) zur Befestigung an einem ersten (1) von zwei relativbewegbaren Körpern (1, 3), mit einein elektrisch leitenden, nicht-ferromagnetischen Wandkörper, der teleskopartig mit der Spule (2, 30) verbunden und am zweiten Körper (3) zur axialen Verstellung relativ zur Spule (2, 30) befestigt ist, um deren relative Überlappung (x) und dadurch die Induktivität der Spule (2, 30) zu variieren, mit einer derart angeschlossenen Wechselstromquelle (6), um ein Wechselstromsignal einer wenigstens so hohen Frequenz an die Spule (2, 30) zu legen, daß die auf dem Skinef fekt basierende Eindringtiefe in den Wandkörper kleiner als dessen körperliche Wanddicke ist, und mit einer an der Spule (2, 30) angeschlossenen Detektorschaltung (7) zur Erfassung eines zur Spuleninduktivität proportionalen Signals, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(a) Aufnahme einer detektierten Signalamplitude, die proportional ist zur Spuleninduktivität für jede einer Vielzahl voneinander beabstandeter Wandkörper-Verschiebepositionen (x + Δx), über einen Betriebsbereich des Wegaufnehmers, so daß die unkompensierte Übertragungsfunktion für die Signalamplitude als Funktidn der Verschiebung (x) repräsentiert wird;

(b) Bestimmung der gewünschten, linearen Signalamplitude für jede der besagten Wandkörper-Verschiebepositionen (x + Δ x) für eine lineare Übertragungsfunktion, die tangential zu den besagten, unkompensierten Übertragungsfunktionen bei der Minimalverschiebung ist;

(c) Bestimmung der Differenz zwischen der aufgenommenen detektierten Amplitude und der gewünschten linearen Amplitude für jede der besagten Wandkörper-Verschiebepositionen (x + Δx); und

(d) Bildung einer Kompensationswicklung (38) in teleskopartiger und koaxialer Beziehung zur Spule mit einer Strom- und Windungsrichtung dergestalt, daß die magnetische Spannung in der Spule (2, 30) erhöht wird, wobei die die Kornpensationswicklung einen Umfangsfortschritt zwischen zwei jeweils benachbarten Wandkörper-Verschiebepositionen (x + Δx) gemäß der folgenden Gleichung aufweist:

Δy = (E) * (C) / (2 * VT)

mit

E = die Differenz für benachbarte Wandkörper- Verschiebepositionen (x + Δx) zwischen der differenz vom Schritt (c) für eine Wandkörper-Verschiebeposition (x) und der Differenz von Schritt (c) für die benachbarte Wandkörper-Verschiebeposition (x + Δx);

C = der Umfang der Spule; und

VT = die Differenz für benachbarte Wandkörper- Verschiebepositionen (x + Δx) zwischen den benachbarten detektierten Signalamplituden vom Schritt (a) geteilt durch die Windungszahl zwischen den Positionen, bei welchen die benachbartren Aufnahmen gemacht wurden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (a) insbesondere das Aufzeichnen eines Graphen von den detektierten Signalamplituden umfaßt; und

Schritt (c) die Messung der Differenz zwischen dem Graphen und der geraden Linie für je eine Verschiebeposition (x + Δx) umfaßt.