DE69623027T2

DE69623027T2 - Induktiver aufnehmer zur überwachung von flüssigkeitsstand und -verschiebung

Info

Publication number: DE69623027T2
Application number: DE69623027T
Authority: DE
Inventors: Robert Czarnek
Original assignee: Czarnek and Orkin Laboratories Inc
Current assignee: Czarnek and Orkin Laboratories Inc
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: AU7366596A; DE69623027D1; US6192753B1; WO1997013122A3; EP0855018B1; CA2232544C; EP0855018A4; WO1997013122A2; CA2232544A1; EP0855018A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sensorsystem zur Überwachung eines Flüssigkeitsstandes und einer Flüssigkeitsversetzung, und insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Sensorsystem zur Überwachung der Pegelhöhe von Rohöl in Speicherbehältern.

2. Stand der Technik

Es gibt zahlreiche Typen von bekannten Sensoren zur Überwachung eines Flüssigkeitsstandes und insbesondere zur Messung der Pegelhöhe von Rohöl in Speicherbehältern. Zahlreiche dieser Sensoren benutzen einen Schwimmer, der mit dem Sensor zusammenwirkt. Diese Sensoren können kostspielig sein, wenn sie die erforderliche Genauigkeit liefern, und die Sensoren werden häufig beeinträchtigt durch die Fluide und Verunreinigungen, die den Speicherbehältern zugeordnet sind, in denen derartige Fluide gespeichert werden. Im folgenden findet sich eine Auflistung bekannter Sensoren zur Überwachung und Messung des Flüssigkeitsstandes mit den jeweiligen Nachteilen dieser Sensoren.
Linear variable Differentialtransformatoren (LVDT) erfordern eine hohe Präzision bei der Herstellung der Spulen und eine Sensorlänge von mehr als dem Zweifachen der nützlichen Länge des Sensors. Sie haben eine Auflösung, die durch die Auflösung ihres Datenakquisitionssystems und durch elektrische Störungen des Gesamtsystems begrenzt ist.
Ultraschallwandler werden durch Änderungen in Druck, Temperatur und anderen Veränderungen der Zusammensetzung der Medien, in denen sie arbeiten, beeinträchtigt, weil sie abhängig von der Dichte des Mediums arbeiten. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit von Fehlern erhöht.
Reedschalteranordnungen, die in der Ölindustrie benutzt werden, liefern eine Zuwachsablesung mit begrenzter Auflösung. Sie sind jedoch gegenüber Stoß und Vibrationen empfindlich und können durch elektrische Felder beschädigt werden. Außerdem sind sie in der Herstellung sehr arbeitsintensiv, und sie sind daher teuer. Infolge von Hunderten von Schaltkontakten und inneren Verbindungen sind sie nicht sicher im Betrieb. Die Genauigkeit derartiger Anordnungen beträgt im typischen Fall +/-6,4 mm, und der Zwischenraum zwischen einem Schwimmer, der bei einem derartigen Reedschaltersystem benutzt wird und den Sensorelementen muß zwischen 0-3 mm betragen. Die Reedschalteranordnungen erfordern außerdem eine jährliche Reinigung und einen Ersatz der Schwimmer infolge des Ausbaus von Verunreinigungen.
Optische Dekoder sind empfindlich bezüglich einer Verunreinigung, und sie sind teuer. Sie erfordern auch eine hohe Präzision während der Herstellung und beim Einbau.
Magnetostriktive Wellenleiterwandler sind kostspielig und erfordern eine hochpräzise Elektronik. Auch ist der Zwischenraum zwischen Schwimmer und Sensorelement begrenzt.
Radar ist kostspielig und besitzt eine begrenzte Genauigkeit.
Kapazitive Sonden sind außerordentlich empfindlich gegenüber einer Verunreinigung, und sie sind kostspielig. Sie erfordern ebenfalls eine hochpräzise Elektronik und haben nur einen begrenzten Bereich.
Druckwandler können durch Verunreinigungen beeinträchtigt werden, und sie haben eine Auflösung, die durch das jeweils benutzte Akquisitionssystem begrenzt ist.
Die US-A-5 061 896 beschreibt einen Lineartransformator oder ein Sensorsystem zur Messung einer Versetzung, wobei das Sensorsystem folgende Teile umfaßt:
eine Primärspule ist um eine in Längsrichtung verlaufende Achse aufgewickelt, und die Primärspule besitzt ein erstes Ende und ein zweites Ende;
eine erste Sekundärspule ist um die Längsachse zwischen den Enden der Primärspule aufgewickelt, wobei die erste Sekundärspule eine erste Wicklungsdichte-Verteilung besitzt, die sich periodisch zwischen den Enden der Primärspule ändert; und
eine zweite Sekundärspule ist um die Längsachse zwischen den Enden der Primärspule aufgewickelt, und die zweite Sekundärspule besitzt eine erste Wicklungsdichte-Verteilung, wobei die Wicklungsrichtungen der ersten und zweiten Spule sich zwischen einer Wicklungsrichtung im Uhrzeigersinn und einer Wicklungsrichtung im Gegenuhrzeigersinn zwischen den Enden der Primärspule ändern, wobei die Wicklungsdichte-Verteilung der zweiten Sekundärspule relativ zur Wicklungsdichte-Verteilung der ersten Sekundärspule verschoben ist.
Die EP-A-0 211 142 beschreibt eine Flüssigkeitsstand-Meßeinrichtung der Induktionsbauart, die eine erste Spule aufweist, welche einen oberen Spulenabschnitt besitzt, deren Wicklungsdichte graduell vom oberen Bereich nach einer ersten Spule im Mittelabschnitt hiervon absinkt, wobei die erste Spule noch einen unteren Spulenbereich besitzt, dessen Wicklungsdichte graduell von dem Mittelabschnitt der ersten Spule sich nach dem unteren Abschnitt derselben vergrößert.
Die US-A-4 052 900 beschreibt einen Wandler mit einem zylindrischen Formkörper, der von einer Primärspule umgeben ist und zwei in Reihe geschaltete Sekundärspulen aufweist. Mehrere Verbindungen sind vorgesehen, um im Abstand zueinander angeordnete Windungen der Sekundärspule zu verbinden. Die Primärspule ist an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen und die Sekundärspulen sind mit einer Sensorschaltung verbunden, um den Spannungsausgang festzustellen.
Die US-A-3 921 461 beschreibt ein Differentialhydrometer mit einem beweglichen ferromagnetischen Kern, der im Schaft eines Schwimmergewichts angeordnet ist.
Die US-A-4 771 804 beschreibt einen langgestreckten Schaft mit einem ersten Ende, an dem eine Schwimmerstruktur befestigt ist und mit einem zweiten Ende, das aus einem magnetischen Material besteht.
Die US-A-5 103 674 beschreibt einen Flüssigkeitsstandanzeiger mit einem Metallrohr, in dem ein Auftriebsglasrohr schwimmt, das ein nicht magnetisches Spulengewicht und einen magnetisch durchlässigen Eisenstab aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem zu schaffen, welches kostengünstig und einfach herzustellen ist, welches eine hohe Betriebssicherheit und Genauigkeit hat, welches einfach einzubauen ist und welches eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, Stößen, elektrischen Feldern und Medien besitzt, in denen das Sensorsystem arbeitet.
Die Erfindung geht aus von einem Sensorsystem zur Messung einer Verschiebung, wobei das Sensorsystem die folgenden Merkmale aufweist:
eine Primärspule ist um eine in Längsrichtung verlaufende Achse aufgewickelt, und diese Primärspule besitzt ein erstes und ein zweites Ende;
eine erste Sekundärspule ist um die Längsachse herum zwischen den Enden der Primärspule aufgewickelt, wobei die erste Sekundärspule eine erste Wicklungsdichte-Verteilung besitzt, die sich periodisch zwischen den Enden der Primärspule ändert; und
eine zweite Sekundärspule ist um die Längsachse herum zwischen den Enden der Primärspule aufgewickelt, wobei die zweiten Sekundärspulen die erste Wicklungsdichte-Verteilung aufweisen, wobei die Wicklungsrichtungen der ersten und zweiten Sekundärspulen sich zwischen einer Richtung im Uhrzeigersinn und einer Richtung im Gegenuhrzeigersinn zwischen den Enden der Primärspule ändern, und wobei die Wicklungsdichte-Verteilung der zweiten Sekundärspule relativ zur Wicklungsdichte-Verteilung der ersten Sekundärspule verschoben ist
und ist gekennzeichnet durch ein Element, welches so angeordnet ist, daß es benachbart zur Primärspule und benachbart zu den Sekundärspulen zwischen den Enden der Primärspule beweglich ist, wobei das Element einen Resonanzkreis aufweist, der so ausgebildet ist, daß er bei einer Resonanzfrequenz mitschwingt.
Das Flüssigkeitsstand-Sensorsystem weist außerdem eine dritte Sekundärspule und eine vierte Sekundärspule auf. Die dritte und vierte Sekundärspule sind mit einer sich monoton ändernden Wicklungsdichte-Verteilung um die Längsachse zwischen den Enden des Rohres aufgewickelt. Die Wicklungsdichte-Verteilung der vierten Sekundärspule ist gegenüber der Wicklungsdichte-Verteilung der dritten Sekundärspule verschoben. Gemäß einer Erregung durch ein zeitveränderliches elektromagnetisches Feld erzeugen die dritte und vierte Sekundärspule Signale mit Amplituden, die sich monoton gemäß der Bewegung des Schwimmers zwischen den Enden des Rohres ändern. Stattdessen können die dritte und vierte Sekundärspule um die Längsachse mit einer sich periodisch ändernden Wicklungsdichte-Verteilung zwischen den Enden der Primärspule aufgewickelt sein. Bei dieser Alternative erzeugen die dritte und vierte Sekundärspule gemäß einer Erregung durch das zeitveränderliche elektromagnetische Feld Signale, deren Amplituden sich periodisch gemäß der Bewegung des Schwimmers zwischen den Enden des Rohres ändern. Die Wicklungsdichte-Verteilung der ersten und zweiten Sekundärspule wird in N- Zyklen zwischen den Enden des Rohres wiederholt, wobei N größer als 1 ist. Die Wicklungsdichte-Verteilung der dritten und vierten Sekundärspule wird in M-Zyklen zwischen den Enden des Rohres wiederholt, wobei M entweder (i) N + 1 oder (ii) eine Zahl ist, die keinen Nenner gemeinsam mit N hat außer der Zahl 1.
Der Schwimmer des Flüssigkeitsstandsensors umfaßt eine Kombination von Resonatorspule und Kondensator.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Spulenwicklungsanordnung zur Benutzung in Verbindung mit einem Flüssigkeitsstand-Sensorsystem vorgesehen. Die Spulenwicklungsanordnung umfaßt eine Primärspule, die um eine in Längsrichtung verlaufende Achse herum aufgewickelt ist, wobei die Primärspule ein erstes und ein zweites Spulenende aufweist. Eine erste Sekundärspule ist um eine Längsachse zwischen den Enden der Primärspule aufgewickelt. Die Sekundärspule besitzt eine Wicklungsdichte-Verteilung, die sich periodisch zwischen den Enden der Primärspule ändert. Eine zweite Sekundärspule ist um die Längsachse zwischen den Enden der Primärspule aufgewickelt. Die zweite Sekundärspule besitzt eine erste Wicklungsdichte-Verteilung. Die Wicklungsrichtungen der ersten und zweiten Sekundärspule ändern sich zwischen einer Wicklungsrichtung im Uhrzeigersinn und einer Wicklungsrichtung im Gegenuhrzeigersinn zwischen den Enden der Primärspule. Die Wicklungsdichte- Verteilung der zweiten Sekundärspule ist relativ zur Wicklungsdichte-Verteilung der ersten Sekundärspule verschoben.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung umfaßt diese ein Verfahren zur Feststellung eines Flüssigkeitsstandes.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung betrifft diese ein Sensorsystem zur Messung eines Flüssigkeitsstandes.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Flüssigkeitsstands- Sensorsystems gemäß der Erfindung, angeordnet zur Feststellung eines Flüssigkeitsstandes;
Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Sensorsystems mit einem Rohr; in dem Wicklungen angeordnet sind und mit einem Schwimmer, in dem ein ferromagnetischer Kern angeordnet ist;
Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht des erfindungsgemäßen Sensorsystems mit einem Rohr und darin angeordneten Wicklungen gemäß Fig. 2 und mit einem Schwimmer, der einen LC-Resonator aufweist;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht des Rohres und der Wicklungen des Sensorsystems gemäß Fig. 2 und 3 mit einem torusförmig gestalteten Schwimmer, in dem eine LC- Schaltung angeordnet ist;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Teils des dargestellten Sensorsystems mit einem Rohr und einer darin angeordneten Primärwicklung und einer sich monoton verändernden Sekundärwicklung und mit einem Schwimmer, in dem ein ferromagnetischer Kern angeordnet ist;
Fig. 6 ist ein Flußdiagramm eines Steuersystems zur Erregung einer Primärwicklung des Sensorsystems und zum Empfang von Signalen aus den Sekundärwicklungen des Sensorsystems;
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die die Wicklungsdichte-Verteilung und die Wicklungsrichtung einer ersten und einer zweiten Sekundärwicklung gemäß einer abgewandelten Schrittfunktion veranschaulicht;
Fig. 8 ist eine graphische Darstellung, die die Spulenwicklungsdichte-Verteilung und die Wicklungsrichtung einer ersten und einer zweiten Sekundärwicklung gemäß einer Sinus- und Cosinus-Funktion und eine dritte Sekundärwicklung gemäß einer sich linear ändernden Funktion veranschaulicht;
Fig. 9 ist eine Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Flüssigkeitsstandsensors mit einer Primärspule, mit vier Sekundärspulen und einem Schwimmer, der einen ferromagnetischen Kern aufweist;
Fig. 10 ist eine Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Flüssigkeitsstandsensors mit einer Primärspule, mit vier Sekundärspulen und einer Abschirmung zwischen der Primärspule und den Sekundärspulen und einem Schwimmer, der einen ferromagnetischen Kern aufweist; und
Fig. 11(a) und 11(b) sind schematische Darstellungen von zwei Möglichkeiten einer magnetischen Kopplung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Gemäß Fig. 1 weist ein induktives Sensorsystem A ein Rohr 2 aus nicht- ferromagnetischem Material auf. Ein Schwimmer 4, der auf einer Flüssigkeit 6 in einem Behälter 8 benachbart zum Rohr 2 schwimmt, wirkt mit dem Rohr 2 in der Weise zusammen, wie dies im einzelnen weiter unten beschrieben wird.
Im folgenden wird auf Fig. 2 und Weiter auf Fig. 1 Bezug genommen. Der Körper des Rohres 2 trägt eine Vielzahl von Spulen in koaxialen Lagen, die um das Rohr 2 herumgewickelt sind oder in diesem eingebettet liegen, und zwar derart, daß jede Spule elektrisch von den anderen Spulen getrennt ist. Die Vielzahl von Spulen weist eine Primärspule 10, eine erste Sekundärspule 12 und eine zweite Sekundärspule 14 auf. Die Primärspule 10 ist über Verbindungsleitungen 15 oder andere Mittel zur Verbindung der Spulen an ein Steuersystem 16 gemäß Fig. 1 angeschlossen, welches der Primärspule 10 ein periodisches Antriebssignal anlegt. Die Sekundärspulen 12 und 14 sind ebenfalls über Verbinder 15 mit dem Steuersystem 16 verbunden, welche von den Sekundärspulen 12 und 14 gemäß dem sich ändernden Magnetfluß durch die Spulen erzeugt wird. Das Steuersystem 16 verarbeitet die empfangenen Signale und bringt sie auf eine Form, die durch einen Überwachungscomputer analysiert werden kann.
Ein Schwimmer 4', der sich innerhalb des Rohres 2 bewegt, besitzt einen ferromagnetischen Kern 18. Gemäß dem Antriebssignal vom Steuersystem 16 erzeugt die Primärspule 10 ein zeitlich veränderbares elektromagnetisches Feld, das mit dem Schwimmer 4' zusammenwirkt. Der Schwimmer 4' modifiziert das elektromagnetische Feld, das durch die Primärspule 10 erzeugt wird, um ein örtlich intensives elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das durch die Sekundärspulen 12 und 14 feststellbar ist. Das örtlich intensive elektromagnetische Feld, welches durch die Sekundärspulen 12 und 14 festgestellt wird, wird durch die Sekundärspulen 12 und 14 in elektrische Signale umgewandelt, die durch eine Signalverarbeitungsschaltung im Steuersystem 16 abnehmbar sind. Der ferromagnetische Kern 18 identifiziert das elektromagnetische Feld, indem er einen Pfad mit niedrigem magnetischem Widerstand für das elektromagnetische Feld liefert. Stattdessen kann der Schwimmer 4' aus einem Material bestehen, das einen verminderten magnetischen Widerstandspfad relativ zum Rohr 2 zu der Öffnung, die vom Rohr 2 gebildet wird oder zur Flüssigkeit 6 in und um das Rohr 2 herum bildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in Fig. 3 dargestellt ist, besitzt ein Schwimmer 4" einen LC-Resonator C, der aus einer Resonatorspule 22 und einem Kondensator 24 besteht. Die Resonatorspule 22 ist vorzugsweise konzentrisch zu einer Längsachse TA des Sensorrohres 2 gewickelt. Die elektromagnetischen Felder, die durch die Primärspule 10 gemäß der Erregung durch das Steuersystem 16 erzeugt werden, wirken mit der Resonatorspule 22 zusammen und induzieren Schwingungen im LC-Resonator C. Gemäß der Erregerfrequenz der Primärspule 10, welche die gleiche oder fast die gleiche Resonanzfrequenz wie der LC-Resonator C besitzt, werden Schwingungen im LC- Resonator C erzeugt. Diese Schwingungen erzeugen örtlich intensive oszillierende elektromagnetische Felder im Schwimmer 4', die elektrische Signale in den Windungen der Sekundärspulen 12 und 14 benachbart zum Schwimmer 4" induzieren. Die Intensität des vom LC-Resonator C erzeugten elektromagnetischen Feldes ist annähernd eine Größenordnung größer als die Intensität des oszillierenden elektromagnetischen Feldes, das durch Zusammenwirken von Schwimmer 4' mit ferromagnetischem Kern 18 und einem vergleichbar intensiven elektromagnetischen Feld erzeugt ist, das von der Primärspule 10 erzeugt wird. Die Intensität des vom Schwimmer 4' erzeugten oszillierenden elektromagnetischen Feldes kann weiter dadurch erhöht werden, daß die Resonatorspule 22 des LC- Resonators C auf einem ferromagnetischen Kern 26 aufgewickelt ist.
Gemäß Fig. 4 kann ein Schwimmer 4''' auch von einem Torus gebildet werden, der das Rohr 2 umschließt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält der Schwimmer eine ringröhrenartige Spule 30, die das Rohr 2 umschließt und mit einem Kondensator 32 verbunden ist, wodurch ein LC- Resonator D geschaffen wird. Die Resonanzfrequenz des LC-Resonators D im Schwimmer 4''' ist die gleiche oder etwa die gleiche wie die Erregerfrequenz der Primärspule 10. Gemäß der Erregung der Primärspule 10 bei der Resonanzfrequenz des LC-Resonators D oder in der Nähe desselben werden Schwingungen im LC- Resonator D erzeugt. Diese Schwingungen veranlassen den LC-Resonator D, ein örtlich intensives oszillierendes elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches elektrische Signale in den Windungen der ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 benachbart zum Schwimmer 4''' induziert. Stattdessen könnte die Spule 30 um einen ferromagnetischen Kern 34 herumgewickelt werden.
Die Primärspule 10 ist vorzugsweise mit einer konstanten Wicklungsdichte- Verteilung gewickelt, d. h. mit einer festen Zahl von Windungen pro Einheitslänge des Rohres, und zwar wenigstens über die Arbeitslänge des Rohres 2, d. h. die Länge des Rohres, über welcher Messungen auftreten können. Stattdessen jedoch kann die Primärspule 10 mit einer variablen Wicklungsdichte-Verteilung aufgewickelt werden, wodurch die Signale, die durch eine oder mehrere Sekundärspulen erzeugt werden, in einer geeigneten Weise verarbeitet werden, um eine derartige variable Wicklungsdichte-Verteilung in der Primärspule 10 zu berücksichtigen, wie dies weiter unten im einzelnen beschrieben wird. Die Primärspule 10 wird vorzugsweise durch einen Wechselstrom erzeugt, der über das Steuersystem 16 gemäß Fig. 2 zugeführt wird. Gemäß einer derartigen Erregung erzeugt die Primärspule 10 ein oszillierendes elektromagnetisches Feld in dem Rohr 2 und um dieses Rohr herum. Die Primärspule 10 kann stattdessen durch aridere Erregerwellenformen erregt werden, beispielsweise (ohne Einschränkung) durch Rechteckwellen, jedoch würde dies einen geringeren Wirkungsgrad haben als die Erregung mit sinusförmigen Strömen.
Die erste Sekundärspule 12 ist konzentrisch zur Primärspule. 10 und mit einer Dichte aufgewickelt, die sich vorzugsweise periodisch über die Längsachse TA des Rohres 2 ändert. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wiederholt sich die Wicklungsdichte-Verteilung der ersten Sekundärspule 12 in mehreren Zyklen zwischen den Enden der Primärspule 10. Stattdessen kann ein einziger Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung der Sekundärspule 12 in Verbindung mit relativ kurzen Rohren benutzt werden, um genau die Position des Schwimmers 4''' festzustellen oder in Verbindung mit relativ langen Rohren, um angenähert die Lage des Schwimmers 4''' festzustellen.
Die Wicklungsdichte-Verteilung der ersten Sekundärspule 12 ändert sich vorzugsweise in Form einer Sinusfunktion gemäß der folgenden Gleichung:
EQ (1): Wicklungsdichte-Verteilung = asinbx.
Stattdessen kann jedoch die Wicklungsdichte-Verteilung sich nach einer anderen periodischen Funktion ändern, z. B. (ohne Beschränkung) schrittweise oder nach einer Rechteckfunktion.
Die Wicklungsrichtung der ersten Sekundärspule 12 ändert sich von einem zunächst im Uhrzeigersinn verlaufenden Wicklungssinn nach einem Gegenuhrzeiger- Wicklungssinn oder umgekehrt, d. h. die Spule ist mit einer Gegenwicklung versehen, und zwar an Punkten über die Länge des Rohres 2, wo die Dichte der Spule gleich Null wird. Vorzugsweise ändert sich die Wicklungsdichte-Verteilung gemäß der obigen Gleichung 1, und die Spulenanordnung ist ausgeglichen, d. h. die Zahl der Uhrzeigersinn-Windungen ist gleich der Zahl der Gegenuhrzeigersinn- Windungen. In Fig. 4 sind die Punkte, an denen die Spulendichte der ersten Sekundärspule 12 Null ist, mit α, β, γ, δ und bezeichnet.
Die in den Wicklungen der ersten Sekundärspule 12 erzeugten Signale ändern sich periodisch als Funktion der Erregung der Primärspule 10 und der Axialstellung des Schwimmers 4''' im Rohr 2. Die Windungen der ersten Sekundärspule 12, die der größten Änderung im Magnetfluß ausgesetzt sind, sind jene Windungen dicht benachbart zum Schwimmer 4'''.
Stattdessen kann die erste Sekundärwicklung 12 nur in einer Richtung, beispielsweise in Uhrzeigersinnrichtung, aufgewickelt werden, und zwar mit periodischer Änderung der Wicklungsdichte. Eine in dieser Weise durchgeführte Aufwicklung der Spule 12 führt jedoch in dieser Sekundärspule 12 dazu, daß bei einer gegebenen Intensität des elektromagnetischen Feldes zusätzliche unerwünschte Signalkomponenten erzeugt werden, die in Betracht gezogen werden müssen, wenn das von der Sekundärspule 12 erzeugte Signal durch das Steuersystem 16 verarbeitet wird. Demgemäß ist eine ausgeglichene Spulenanordnung zu bevorzugen.
Die zweite Sekundärspule 14 ist identisch zur ersten Sekundärspule 12. Die Wicklungsdichte-Verteilung der zweiten Sekundärspule 14 wird jedoch gegenüber der Wicklungsdichte-Verteilung der ersten Sekundärspule 12 um einen Teil eines Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung oder dem Phasenwinkel φ verschoben. Vorzugsweise ist dieser Phasenwinkel φ gleich einem Viertelzyklus der Wicklungsdichte-Verteilung, um die Signale, die durch die erste und zweite Sekundärwicklung 12 bzw. 14 erzeugt werden, zu verarbeiten. Die Punkte, wo die Wicklungsdichte-Verteilung der zweiten Sekundärspule 14 Null wird, sind in Fig. 4 mit α', β', γ', δ' und ' gekennnzeichnet.
Es wird wieder auf Fig. 2 Bezug genommen. Im Betrieb wird die Primärspule 12 vorzugsweise durch ein sich sinusförmig veränderndes Signal gespeist. Das sinusförmig sich ändernde Signal in der Primärspule 10 erzeugt ein sich sinusförmig veränderndes elektromagnetisches Feld im ferromagnetischen Kern 18 des Schwimmers 4'. Gemäß der verbesserten magnetischen Permeabilität des ferromagnetischen Kerns 18 im Schwimmer 4' wird ein örtlich intensives elektromagnetisches Feld in und um das Rohr 2 herum benachbart zum Schwimmer 4' erzeugt. Dieses örtlich intensive elektromagnetische Feld erzeugt in den Sekundärspulen 12 und 14 Signale, die eine Phase und Amplitude besitzen, die in eine Sinusfunktion und eine Cosinusfunktion zerlegt werden können. Die Möglichkeit der Übertragung der Signale in die Spulen 12 und 14 in Sinus- und Cosinusfunktion wird durch die Verschiebung von 1/4-Periode der Wicklungsdichte-Verteilung zwischen der ersten und zweiten Sekundärspule 12 und 14 erreicht. Diese sinus- und cosinusförmigen Signale oder die Rechtecksignale können in bekannter Weise analysiert werden, um die Lage des Schwimmers 4' innerhalb des Rohres 2 innerhalb eines Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung von ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 zu bestimmen.
Jedes sich periodisch ändernde Signal in der Primärspule 10 kann benutzt werden, um Signale in der ersten und zweiten Sekundärspule 12 und 14 zu erzeugen. Jedoch ist ein sich sinusförmig veränderndes Signal am einfachsten zur Lageinformation auszuwerten, wobei eine Kompensation der Veränderungen des Erregerspannungskopplungs-Wirkungsgrades ermöglicht wird.
Wenn die Aufwicklung in der beschriebenen Weise erfolgt, ermöglichen es die ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14, die Lage des Schwimmers 4' innerhalb eines Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung von erster und zweiter Sekundärspule 12 und 14 zu bestimmen. Wenn die Lage des Schwimmers 4' kontinuierlich durch das Steuersystem 16 überwacht wird, kann die absolute Lage des Schwimmers 4' im Rohr 2 bestimmt werden. Wenn die Leistung am Steuersystem 16 jedoch abgeschaltet wird und danach wieder die Spannung angelegt wird, dann kann die Absolutstellung des Schwimmers 4' im Rohr 2 unter Benutzung der ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 allein nicht festgestellt werden. Demgemäß ist es zweckmäßig, ein drittes Stellungssignal dem Steuersystem 16 aufzuprägen, dessen Auflösung wenigstens die Hälfte der Gesamtlänge von erster und zweiter Sekundärspule 12 und 14 beträgt. Dieses dritte Signal wird durch eine dritte Sekundärspule 40 geliefert, deren Wicklungsdichte- Verteilung sich linear gemäß der folgenden Gleichung ändert:
EQ 2: Spulendichte = Ax + B
d. h., eine Funktion der Lage der Spule längs des Rohres 2.
Nunmehr wird wieder auf Fig. 4 Bezug genommen. Die Spulenwicklungsrichtung der dritten Sekundärspule 40 ändert sich von einer Uhrzeigersinn-Wicklungsrichtung in eine Gegenuhrzeigersinn-Wicklungsrichtung, und an dieser Umkehrstelle ist die Spulendichte gleich Null, was in Fig. 4 mit σ bezeichnet ist. Vorzugsweise wird die Spulenwicklungsdichte zwischen den Enden der dritten Sekundärspule 40 Null. Durch Aufwicklung der dritten Sekundärspule 40 auf diese Weise ändert sich das Signal, das von der dritten Sekundärspule 40 erzeugt wird, monoton über die Länge der dritten Sekundärspule 40. Unter Benutzung der dritten Sekundärspule 40 kann die ungefähre Lage des Schwimmers 4''' über die Länge des Rohres 2 unabhängig von der ersten und zweiten Sekundärspule 12 und 14 bestimmt werden. Die erste und zweite Sekundärspule 12 und 14 werden dann benutzt, um die Lage des Schwimmers 4''' im Rohr 2 innerhalb eines Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung von erster und zweiter Sekundärspule 12 und 14 festzustellen.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind eine Primärspule 50 und eine Sekundärspule 52 auf dem Rohr 2 aufgewickelt. Die Sekundärspule 52 hat eine Wicklungsdichte-Verteilung, die sich monoton ändert, und diese kann benutzt werden, um die Lage des Schwimmers 54 festzustellen. Allgemein erzeugt eine Sekundärspule mit einer großen Wicklungsdichte-Verteilung ein größeres Signal als eine Sekundärspule mit einer kleineren Wicklungsdichte-Verteilung bei einer gegebenen Intensität des durchlaufenden Magnetflusses. So kann durch Feststellen der Amplitude des Signals, welches durch die eine Sekundärspule 52 erzeugt wird, die angenäherte Lage des Schwimmers 54 bei Fehlen der Sekundärspulen festgestellt werden.
Nunmehr wird wiederum auf Fig. 4 Bezug genommen. Um die Auflösung des Sensors zu erhöhen, um Änderungen in der Lage des Schwimmers 4''' relativ zum Rohr 2 festzustellen, ist es jedoch nötig, zusätzliche Sekundärspulen, d. h. erste und zweite Sekundärspulen 12 und 14 hinzuzufügen, die eine Vielzahl von Zyklen von Wicklungsdichte-Verteilungen besitzen, die gegeneinander verschoben sind, wie dies beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist. Um die Auflösung des Sensors zur Feststellung von Änderungen in der Lage des Schwimmers 4''' zu verbessern, wird die Länge eines jeden Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung verringert. In gleicher Weise vermindert eine Erhöhung der Wicklungsdichte-Verteilung die Auflösung des Sensors. Weil die Lage des Schwimmers 54 innerhalb eines Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung feststellbar ist, kann eine gewünschte Sensorauflösung dadurch erhalten werden, daß eine oder mehrere Sekundärspulen, z. B. die erste und zweite Sekundärspule 12 und 14 in Fig. 2, benutzt werden, die eine Zykluslänge der Wicklungsdichte-Verteilung besitzen, die kleiner oder gleich der gewünschten Auflösung ist. Auf diese Weise kann durch Anordnung von Sekundärspulen von unterschiedlichen Kombinationen von Wicklungsdichte- Verteilung, Zykluslänge, Phasenwinkel φ und dergleichen ein Sensor gewünschter Länge und Auflösung erhalten werden.
Nunmehr wird wieder auf die Fig. 2 bis 4 Bezug genommen. Die Wicklungsdichte- Verteilung der ersten Sekundärspule 12 und der zweiten Sekundärspule 14 kann stattdessen so modifiziert werden, daß eine Kombination der durch erste und zweite Sekundärwicklung 12 und 14 erzeugten Signale sich monoton über die Länge der Primärspule 10 ändert, wodurch die Notwendigkeit für zusätzliche Sekundärspulen wegfällt. Eine derartige Kombination von Signalen erster und zweiter Sekundärspulen 12 und 14 umfaßt die Summe der Quadrate von den Signalen, die durch diese Spulen erzeugt werden.
Die Wicklungsdichte-Verteilung der Primärspule 10 kann auch anders als mit einer konstanten Wicklungsverteilung vorgenommen werden, was eine entsprechende Einstellung der Art und Weise zur Folge hat, auf der die durch erste und zweite Sekundärspule 12 und 14 erzeugten Signale verarbeitet werden. Die Modifizierung der Wicklungsdichte-Verteilung der Primärspule 10 oder der ersten und zweiten Sekundärspule 12 und 14 kann jedoch möglicherweise keine genügende Auflösung für Rohre mit größerer Länge liefern. Um die Auflösung bei Anwendungen zu vergrößern, bei denen längere Rohre 2 Verwendung finden, können zusätzlich zu den ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 eine oder mehrere zusätzliche Sekundärspulen mit unterschiedlicher Wicklungsdichte-Verteilung und/oder Zykluslänge auf dem Rohr 2 angeordnet werden. Auf diese Weise können große Bewegungen des Schwimmers mit hoher Genauigkeit gemessen werden, z. B. besser als ein Prozent der Länge des Zyklus einer oder mehrerer zusätzlicher Spulen, ohne daß es notwendig wäre, hochstabile elektronische Schaltungen oder Datenakquisitionssysteme hoher Auflösung zu benutzen.
Die Ordnung der Wicklungen der Primär- und Sekundärspulen auf dem Rohr 2 ist willkürlich und beeinflußt die Arbeitsweise oder Durchführung des Sensorsystems A in keiner Weise. Außerdem kann eine der Primärspulen oder der Sekundärspulen als Primärspule benutzt werden, weil die induktive Kopplung zwischen den Spulen bidirektional ist. Demgemäß kann die Rolle von Primärspule 10 und einer der ersten oder zweiten Sekundärspulen 12 und 14 umgekehrt werden, so daß eine der Spulen ein zeitveränderliches elektromagnetisches Feld erzeugt und die andere Spule dieses empfängt.
Im folgenden wird auf Fig. 6 in Verbindung mit Fig. 2 bis 4 Bezug genommen. Das Steuersystem 16 zur Erregung der Primärspule 10 und zum Empfang von Signalen aus den Sekundärspulen umfaßt einen Signalgenerator oder einen Sinuswellengenerator 60 zur Erzeugung eines Ausgangs nach einem Verstärker 62 und einer Triggerschaltung 64. Der Verstärker 62 verstärkt den Ausgang des Signalgenerators 60 und liefert das verstärkte Signal an die Primärspule 10. Gemäß dem Ausgang des Sinuswellengenerators 60 liefert die Triggerschaltung 64 ein Triggersignal an den Abtastverzögerungs-Zeitgeber 66. Der Abtastverzögerungs- Zeitgeber 66 verzögert die Abtastung des Ausgangs der ersten, zweiten und dritten Sekundärspule 12, 14 und 40 für ein vorbestimmtes Verzögerungsintervall. Nach dem vorbestimmten Verzögerungsintervall liefert der Abtastverzögerungs-Zeitgeber 66 ein Signal an den Abtastdauer-Zeitgeber 68. Gemäß dem Ausgangssignal des Abtastverzögerungs-Zeitgebers 66 liefert der Abtastdauer-Zeitgeber 68 ein Signal an die Abtast-und Halte-Schaltung 70 während eines vorbestimmten Intervalls. Während dieses Intervalls liefert der Abtastdauer-Zeitgeber 68 ein Signal und die Abtast-und Halte-Schaltung 70 tastet den Ausgang von einem Vierkanalverstärker 72 ab, der den Ausgang der ersten, zweiten und dritten Sekundärspule 12, 14 und 40 des Rohres 2 empfängt. Nach Beendigung des Ausgangssignals durch den Abtastdauer-Zeitgeber 68 tastet der Computer 74 die Ausgänge der Abtast-und Halte-Schaltung 70 über einen Analog-Digital-Wandler 76 ab. Alternativ kann der vierte Kanal des Vierkanalverstärkers 72 benutzt werden, um den Ausgang einer fakultativ vorgesehenen vierten Sekundärspule 38 zu verstärken, die auf das Rohr 2 aufgewickelt ist. Die Merkmale und die Benutzung der vierten Sekundärspule 38 werden im einzelnen in Verbindung mit Fig. 9 beschrieben.
Gemäß Fig. 2 und 6 weist das Ausführungsbeispiel des Testsensorsystems ein Plastikrohr mit einer Länge von 1,5 m und einem Innendurchmesser von 40 mm auf. Die Primärspule 10 wurde mit einer konstanten Wicklungsdichte über 1264 mm Länge des Rohres 2 aufgewickelt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 wurden gegensinnig auf das Rohr 2 in der Weise aufgewickelt, daß der Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung jeder Sekundärspule 158 mm betrug und die Wicklungsrichtungs-Umkehr alle 79 mm erfolgte. Die axiale Länge des ferromagnetischen Kerns 18 im Schwimmer 4' beträgt 67 mm. Die ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 sind derart aufgewickelt, daß die jeweilige Spulenwicklungsdichte-Verteilung durch abwechselnde Schrittfunktionen definiert werden, die um eine Viertelperiode verschoben sind. Die dritte Sekundärspule 40 ist mit einer Wicklungsdichte aufgewickelt, die sich linear gemäß der Gleichung 2 ändert. Die ersten, zweiten und dritten Sekundärspulen 12, 14 und 40 sind über die gleiche Länge aufgewickelt wie die Primärspule 10, d. h. über 1264 mm.
Im Betrieb wird der Schwimmer 4' innerhalb des Rohres 2 angeordnet, und die Primärspule 10 wird vom Signalgenerator 60 über den Verstärker 62 gespeist. Gemäß der Erregung durch die Primärspule 10 erzeugt der ferromagnetische Kern 18 des Schwimmers 4' ein örtlich intensives elektromagnetisches Feld, das von den Windungen der ersten, zweiten und dritten Sekundärspule 12, 14 und 40 abgegriffen werden kann, die benachbart zum Schwimmer 4' angeordnet sind. Gemäß der Aufnahme der örtlich intensiven elektromagnetischen Felder erzeugen die Sekundärspulen Signale, die vom Steuersystem 16 abnehmbar sind. Die von den Sekundärspulen erzeugten Signale werden dem Verstärker 72 zugeführt, der die zugeführten Signale aufnimmt und diese verstärkt. Der Verstärker 72 liefert die verstärkten Signale an die Abtast-und Halte-Schaltung 70. Der Ausgang der Abtast- und Halte-Schaltung 70 wird dem Analog-Digital-Wandler 76 zugeführt, der den analogen Ausgang der Abtast-und Halte-Schaltung 70 in ein digitales Äquivalent umwandelt. Der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 76 wird dem Computer 74 zugeführt. Der Ausgang der Abtast- und Halte-Schaltung 70 wird individuell durch den Computer 74 analysiert, um die Position des Schwimmers 4' innerhalb des einen Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung von erster und zweiter Sekundärspule 12 und 14 festzustellen. Der Computer 74 berechnet auch das digitalisierte Signal der dritten Sekundärspule 40, um die ungefähre Lage des ferromagnetischen Kerns 4' über die Länge des Rohes 2 zu erhalten. Irgendwelche Nicht-Linearitäten im Signal innerhalb des Zyklus, die durch Abweichungen der Wicklungsdichte- Verteilung von der bevorzugten Sinus/Cosinus-Kombination herrühren, werden numerisch durch ein Programm im Computer 74 kompensiert. Das oben beschriebene Testsensorsystem hat eine Auflösung und Wiederholbarkeit von Messungen innerhalb von 1 mm.
Im folgenden wird auf Fig. 7 Bezug genommen. Bei einem weiteren Testsensorsystem ist die Wicklungsdichte-Verteilung von erster und zweiter Sekundärspule 12 und 14 durch abwechselnde Stufenfunktionen definiert, die um 1/4-Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung verschoben sind. Bei diesem Testsensorsystem wiederholt sich jedoch in vier Zyklen die Wicklungsdichte- Verteilung von erster und zweiter Sekundärspule 12 und 14, und jeder Zyklus hat eine Länge von etwa 90 mm. Das Plastikrohr 2 hat bei diesem Ausführungsbeispiel einen Innendurchmesser von 20 mm. Eine dritte Sekundärspule 40 ist mit einer Wicklungsdichte aufgewickelt, die sich linear gemäß der Gleichung 2 ändert. Demgemäß ist die Spulendichte der dritten Sekundärspule gleich Null zwischen den Enden der dritten Sekundärspule 40. Wie bei dem vorhergehenden Testsensorsystem sind erste, zweite und dritte Sekundärspulen 12, 14 und 40 verbunden, um ein Signal an den Verstärker 72 zu liefern. Der Verstärker 72 verstärkt die von den Sekundärspulen zugeführten Signale und liefert die verstärkten Signale an die Abtast- und Halte-Schaltung 70. Zu gewählten Intervallen wird die Abtast- und Halte-Schaltung 70 veranlaßt, die Ausgänge des Verstärkers 72 abzutasten und die abgetasteten Ausgänge dem Analog-Digital-Wandler 76 zuzuführen. Zu gewählten Intervallen tastet der Computer 74 den Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 76 ab, um die digitalisierten Ausgänge der Abtast- und Halte-Schaltung 70 für jede Sekundärspule zu erhalten. Wenn eine zusätzliche Auflösung und/oder ein längerer Sensor benötigt wird, dann können zusätzliche Sekundärspulen, z. B. eine vierte Sekundärspule 38 gemäß Fig. 9, auf dem Rohr 2 angeordnet werden, und sie können Zyklen und Wicklungsdichte-Verteilungen aufweisen, die in der Länge ausreichen, um die gewünschte Positionsauflösung Zu erhalten.
Alternativ kann die Wicklungsdichte-Verteilung von erster und zweiter Sekundärspule gemäß Fig. 8 durch eine Sinusfunktion und eine Cosinusfunktion definiert werden, und die Wicklungschlchte-Verteilung der dritten Sekundärspule 40 ändert sich linear. Die Spulenwicklungsrichtung der Sekundärspulen ändert sich jeweils an den Stellen, wo die Wicklungsdichte-Verteilung sich Null annähert.
Die Signale von den ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 können nach zwei Methoden verarbeitet werden. Bei der ersten Methode wird die Änderung der Spannung in jeder der ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 während einer festen Phase der Schwingung dar Erregerspannung bestimmt und benutzt, um die Lage des Schwimmers 4' im Rohr 2 festzustellen. Bei diesem Verfahren beträgt die Phasenverschiebung φ zwischen der ersten und zweiten Sekundärspule 12 und 14 vorzugsweise ein Viertel des Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung. Diese Phasenverschiebung φ von 1/4-Zyklus schafft eine quadratische Beziehung zwischen den ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14, wodurch erste und zweite Quadratursignale erzeugt werden. Wenn die Wicklungsdichte-Verteilung der Quadraturspulen sich sinusförmig ändert, dann können Veränderungen in der Erregeramplitude und der Kopplungswirksamkeit numerisch durch den Computer 74 bestimmt werden, wodurch Fehler in der gemessenen Versetzung des Schwimmers 4' im Rohr 2 vermindert werden.
Bei der anderen Signalverarbeitungsmethode werden die Amplituden der Schwingungen in der ersten und zweiten Sekundärspule 12 und 14 gemessen. Bai dieser Methods beträgt die Verschiebung zwischen erster und zweiter Sekundärspule 12 und 14 ein Achtel des Wicklungszyklus. Der Grund dafür besteht darin, daß zwei Amplitudenzyklen für jeden Phasenzyklus bestehen. Die Schaltung des Steuersystems 16 zur Analysierung der Signale Ist bei dieser letztgenannten Methode einfacher, jedoch ist die Schaltung empfindlich gegenüber Veränderungen der Erregeramplitude und der Kopplungswirksamkeit.
Im folgenden wird auf Fig. 9 der Zeichnung Bezug genommen. Hier ist eine vierte Sekundärwicklung 38 auf dem Rohr 2 aufgewickelt. Die Wicklungsdichte-Verteilung der vierten Sekundärspule 38 ändert sich linear, und sie ist gegenüber der Wicklungsdichte-Verteilung der dritten Sekundärspule 40 verschoben. Vorzugsweise ist die Verschiebung gleich einem Viertel des Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung. Bei einem Ausführungsbeispiel dieser Bauart, bei dem die Primärspule 10 mit einer konstanten Wicklungsdichte-Verteilung aufgewickelt ist, waren die ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 in zwanzig Zyklen der Wicklungsdichte- Verteilung aufgewickelt, und die dritte und vierte Sekundärspule 40 und 38 waren über einen Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung aufgewickelt, und es wurde eine Auflösung von 1/4000 erlangt.
Im folgenden wird auf Fig. 10 Bezug genommen. Die Primärspule 10 ist mit einer konstanten Wicklungsdichte-Verteilung aufgewickelt, und die ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 sind mit einer sich sinusförmig verändernden Wicklungsdichte-Verteilung aufgewickelt, und die ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 sind um einen Teil eines Zyklus der Wicklungsdichte- Verteilung verschoben, vorzugsweise um 1/4-Zyklus. Die ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 sind mit N-Zyklen der Wicklungsdichte-Verteilung über eine Länge des Rohres 2 aufgewickelt. Außerdem sind eine dritte Sekundärspule 80 und eine vierte Sekundärspule 82 relativ zueinander in einer Weise ähnlich den ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 aufgewickelt, d. h. die dritte und vierte Sekundärspule 80 bzw. 82 sind um 1/4-Zyklus gegeneinander verschoben. Jedoch sind die dritte und vierte Sekundärspule 80 und 82 mit N + 1-Zyklen der Wicklungsdichte-Verteilung über die Länge des Rohres 2 aufgewickelt.
Um die Position des Schwimmers 4' bei diesem Ausführungsbeispiel zu bestimmen, wird die Position des Schwimmers 4' innerhalb eines Zyklus der Wicklungsdichte- Verteilung der ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14 bestimmt und außerdem die Position des Schwimmers 4' innerhalb eines Zyklus der Wicklungsdichte-Verteilung der dritten und vierten Sekundärspulen 80 und 82. Weil es keine Überlappung in den Wicklungsdichte-Verteilungen zwischen dem ersten Paar von Sekundärspulen 12 und 14 und dem zweiten Paar von Sekundärspulen 80 und 82 gibt, kann die Position des Schwimmers durch Vergleich der relativen Positionsinformation des ersten Paares von Sekundärspulen 12 und 14 mit der relativen Positionsinformation des zweiten Paares von Sekundärspulen 80 und 82 erlangt werden. Anders ausgedrückt heißt dies, daß die Kombination der Quadratursignale des ersten Paares von Sekundärspulen und des zweiten Paares von Sekundärspulen sich monoton über die Länge des Rohres 2 ändert. Demgemäß kann die Position des Schwimmers 4' im Rohr 2 innerhalb eines halben Prozentes der Länge der kürzeren der Zykluswicklungen, d. h. N + 1-Zyklus-Windungen, erlangt werden. Eine Durchschnittsfehlerbildung kann benutzt werden, um die Genauigkeit des Sensorsystems weiter zu verbessern. Ein Vorteil dieses letztgenannten Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die Messung der Position des Schwimmers 4' unabhängig ist von der Gesamtlänge einer oder mehrerer der Sekundärspulen, z. B. die ersten und zweiten Sekundärspulen 12 und 14. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Anwendungen, wo ferromagnetisches Material um ein Ende des Rohres 2 herum vorhanden ist, wodurch die Fähigkeit der Feststellung einer sich linear ändernden Spule durch die magnetischen Partikel beeinträchtigt werden könnte. Stattdessen können erste und zweite Sekundärspulen 12 und 14 mit N- Zyklen von Wicklungsdichte-Verteilungen aufgewickelt werden, und die dritte und vierte Sekundärspule 80 und 82 sind mit einer M-Wicklungsdichte-Verteilung aufgewickelt, wobei N und M Primzahlen sind, die keinen gemeinsamen Nenner besitzen außer die Zahl Eins (1).
Vorzugsweise haben die Sekundärspulen ausgeglichene Wicklungen, d. h. die Zahl der Windungen in einer positiven Richtung ist gleich der Zahl der Windungen in einer negativen Richtung. Außerdem ist alternativ eine Abschirmung 90, beispielsweise eine Aluminiumfolie, zwischen der Primärspule und den Sekundärspulen und/oder zwischen den Sekundärspulen angeordnet. Diese Abschirmung verbessert den Signalausgang durch die Sekundärspulen, indem der Rauschpegel auf den elektromagnetischen Feldern vermindert wird, die von den Sekundärspulen empfangen werden. Wie in Verbindung mit der Messung von Flüssigkeitspegeln beschrieben, kann die Erfindung auch Anwendung finden zum Ersatz von linear variablen Differential-Transformatoten (LVDTs). Außerdem ist die Wahl eines ringförmig gestalteten Schwimmers gemäß Fig. 4 gegenüber einem kolbenartig gestalteten Schwimmer nach Fig. 3 von der Anwendung abhängig. Insbesondere zur Messung des Flüssigkeitsstandes einer schmutzigen Flüssigkeit ist ein ringförmiger Schwimmer zu bevorzugen, weil der Spalt zwischen dem Schwimmer und dem Rohr leichter gereinigt werden kann als der Spalt zwischen dem kolbenartig gestalteten Schwimmer und der Innenseite des Rohres.
Nunmehr wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Da ein LC-Resonator in dem Schwimmer 4 benutzt werden kann, ist es möglich, mehrere Schwimmer mit LC- Kreisen zu benutzen, die auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt sind, um beispielsweise die Pegel von Wasser und Öl im gleichen Tank festzustellen. So kann der Schwimmer 4 benutzt werden, um den Ölpegel auf dem Wasser festzustellen, während ein weiterer Schwimmer 5, der strichliert in Fig. 1 dargestellt ist, benutzt werden kann, um die Höhe des Wasserstandes zu messen. Die Erregerfrequenz der Primärspule 10 in Fig. 4 müßte zwischen den Ablesungen geändert werden, um den richtigen Schwimmer anzuregen.
Gemäß Fig. 11A ist die Primärspule 10 magnetisch mit einer oder mehreren Sekundärspulen über den ferromagnetischen Kern verbunden. Gemäß Fig. 11B ist die Primärspule magnetisch mit der Sekundärspule über den Schwimmer verbunden, der den gemäß der Erfindung ausgebildeten LC-Resonator enthält. Die Diagramme gemäß Fig. 11A und 11B veranschaulichen die beiden erwähnten Möglichkeiten der magnetischen Kopplung zwischen Primärspule und Sekundärspulen.
Im folgenden ist ein Computerprogramm aufgezeichnet, welches vom Steuersystem 16 benutzt werden kann, um die Signale von den Sekundärspulen zu interpretieren und die Signale in Positionsdaten umzuwandeln.
Im folgenden ist ein Programm aufgezeichnet, das die Signale interpretiert, wobei das Programm in BASIC geschrieben ist.
Das erfindungsgemäße Sensorsystem schafft ein System mit verbesserter Genauigkeit und weniger bewegten Teilen, wodurch die Betriebssicherheit gegenüber dem Stande der Technik erhöht wird. Es wird außerdem ein Sensor geschaffen, der nicht empfindlich ist im Hinblick auf einen Freiraum des Schwimmers und eine Reinigung nur etwa alle drei Jahre benötigt. Außerdem schafft das erfindungsgemäße System eine kontinuierliche Ablesung und ist kostengünstig herstellbar und hat eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Stößen und Wellenbewegungen.
Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Beim Lesen und Verstehen der vorstehenden detaillierten Beschreibung ergeben sich Modifikationen und Abwandlungen, die im Rahmen der beiliegenden Ansprüche oder als Äquivalente hiervon mit unter Schutz gestellt werden sollen.

Claims

1. Sensorsystem (A) zur Messung einer Verschiebung, wobei das Sensorsystem die folgenden Merkmale aufweist:

eine Primärspule (10) ist um eine in Längsrichtung verlaufende Achse aufgewickelt, und diese Primärspule besitzt ein erstes und ein zweites Ende;

eine erste Sekundärspule (12) ist um die Längsachse herum zwischen den Enden der Primärspule aufgewickelt, wobei die erste Sekundärspule eine erste Wicklungsdichteverteilung besitzt, die sich periodisch zwischen den Enden der Primärspule ändert; und

eine zweite Sekundärspule (14) ist um die Längsachse herum zwischen den Enden der Primärspule aufgewickelt, wobei die zweiten Sekundärspulen die erste Wicklungsdichteverteilung aufweisen, wobei die Wicklungsrichtungen der ersten und zweiten Sekundärspulen sich zwischen einer Richtung im Uhrzeigersinn und einer Richtung im Gegenuhrzeigersinn zwischen den Enden der Primärspule ändern, und wobei die Wicklungsdichteverteilung der zweiten Sekundärspule relativ zur Wicklungsdichteverteilung der ersten Sekundärspule verschoben ist; gekennzeichnet durch

ein Element (4"; 4'''), welches so angeordnet ist, daß es benachbart zur Primärspule und benachbart zu den Sekundärspulen zwischen den Enden der Primärspule beweglich ist, wobei das Element einen Resonanzkreis aufweist, der so ausgebildet ist, daß er bei einer Resonanzfrequenz mitschwingt.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1, welches außerdem eine dritte Sekundärspule (40) aufweist, die um die Längsachse herum zwischen den Enden der Primärspule aufgewickelt ist, wobei die dritte Sekundärspule eine zweite Wicklungsdichteverteilung besitzt, die sich entweder periodisch oder monoton zwischen den Enden der Primärspule ändert.

3. Sensorsystem nach Anspruch 2, welches außerdem eine vierte Sekundärspule (38) aufweist, die um die Längsachse herum zwischen den Enden der Primärspule mit einer zweiten Wicklungsdichteverteilung aufgewickelt ist, wobei:

die Wicklungsdichteverteilung der vierten Sekundärspule relativ zur Wicklungsdichteverteilung der dritten Sekundärspule verschoben ist;

die erste Wicklungsdichteverteilung der ersten und zweiten Sekundärspulen sich in N-Zyklen zwischen den Enden der Primärspule wiederholt; und

die Sekundär-Wicklungsdichteverteilung der dritten und vierten Sekundärspulen sich periodisch mit M-Zyklen zwischen den Enden der Primärspule ändert.

4. Sensorsystem nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, bei welchem die Längsachse durch ein Rohr (2) definiert ist, auf das die Primärspule und die Sekundärspulen aufgewickelt sind.

5. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die erste Wicklungsdichteverteilung wenigstens der ersten und zweiten Sekundärspulen sich in Form einer Sinusfunktion oder einer alternierenden Stufenfunktion ändert.

6. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das Element einen Kern (26) aus ferromagnetischem Material enthält.

7. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem der Resonanzkreis einen Induktor (22) und einen Kondensator (24) enthält.

8. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem das Element ein erster Schwimmer (4") ist, der auf einer Oberfläche eines ersten Fluid schwimmt, das eine erste Fluiddichte aufweist.

9. Sensorsystem nach Anspruch 8, welches einen zweiten Schwimmer (5) enthält, der auf einer Oberfläche eines zweiten Fluid schwimmt, das eine zweite Fluiddichte aufweist, wobei:

der Resonanzkreis des ersten Schwimmers mit einer ersten Resonanzfrequenz schwingt; und

der zweite Schwimmer einen zweiten Resonanzkreis enthält, der mit einer zweiten Resonanzfrequenz schwingt, die von der ersten Resonanzfrequenz unterschieden ist.

10. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei welchem die Wicklungsrichtung der dritten Sekundärspule sich zwischen einer Richtung im Uhrzeigersinn und einer Richtung im Gegenuhrzeigersinn zwischen den Enden der Primärspule ändert.

11. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welches außerdem eine elektromagnetische Abschirmung (90) aufweist, die (i) zwischen Primärspule und einer oder mehreren Sekundärspulen oder (ii) zwischen benachbarten Sekundärspulen angeordnet ist.

12. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, welches außerdem folgende Merkmale aufweist:

ein Steuersystem (16), welches so geschaltet ist, daß es ein Signal liefert, das die Primärspule oder eine der Sekundärspulen erregt und ein Signal von der jeweils anderen Sekundärspule oder Primärspule empfängt; und

Verbindungsmittel (15) zur Verbindung der Primärspule und der Sekundärspulen mit dem Steuersystem.

13. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Benutzung als Ersatz eines linear variablen Differentialtransformators (LVDTs).

14. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 13, welches außerdem das Steuersystem (16) aufweist, welches so geschaltet ist, daß es die Primärspule mit einem Eingangssignal erregt und Signalausgänge von den Sekundärspulen gemäß der Erregung der Primärspule mit dem Eingangssignal empfängt.

15. Sensorsystem nach Anspruch 14, wobei N und M derart aufeinander bezogen sind, daß gemäß der Erregung der Primärspule mit dem Eingangssignal die Kombination von Signalausgängen durch die Sekundärspulen sich in bestimmter Weise zwischen den Enden der Primärspule ändert.

16. Sensorsystem nach Anspruch 15, bei welchem:

N eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist; und

M entweder (i) N + 1 oder (ii) eine Zahl ist, die keinen gemeinsamen Nenner mit N außer der Zahl 1 hat.

17. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei welchem die Primärspule mit einer konstanten Wicklungsdichteverteilung aufgewickelt ist.

18. Sensorsystem zum Ersatz eines linear variablen Differentialtransformators (LVDTs), wobei das Sensorsystem die Primärspule, die Sekundärspulen und das Element gemäß Anspruch 1, 2 oder 3 aufweist.

19. Verfahren zur Feststellung einer Position eines Resonatorelementes, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

(a) eine Primärspule wird um eine Längsachse herum aufgewickelt, erste und zweite Sekundärspulen werden um die Längsachse mit einer sich periodisch ändernden Wicklungsdichteverteilung aufgewickelt und ein Resonatorelement wird benachbart zur Primärspule und den Sekundärspulen positioniert, wobei die Wicklungsdichteverteilung der zweiten Sekundärspule gegenüber der Wicklungsdichteverteilung der ersten Spule verschöben ist;

(b) es wird die Primärspule mit einem sich periodisch ändernden Signal mit einer Frequenz entsprechend der Resonanzfrequenz des Resonatorelementes oder einer Frequenz in der Nähe dieser Resonatorfrequenz erregt;

(c) es werden von der ersten und zweiten Sekundärspule jeweils erste und zweite periodisch sich ändernde Signale abgenommen;

(d) es wird eine Phase und Amplitude für die ersten und zweiten sich periodisch ändernden Signale bestimmt;

(e) es werden Phase und Amplitude für die ersten und zweiten sich periodisch ändernden Signale in eine erste Quadraturfunktion und eine zweite Quadraturfunktion übertragen; und

(f) es wird aus der ersten Quadraturfunktion und der zweiten Quadraturfunktion eine Position des Resonatorelementes entlang der Längsachse bestimmt.

20. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei welchem das Element relativ zu den Primär- und Sekundärspulen beweglich ist und die Primärspule und die Sekundärspulen stationär angeordnet sind.