DE2408583C3

DE2408583C3 - Probe for measuring the distance between a measuring surface and the probe

Info

Publication number: DE2408583C3
Application number: DE19742408583
Authority: DE
Inventors: Günter 8034 Germering TuIl
Original assignee: Krauss Maffei AG
Current assignee: Mannesmann Demag Krauss Maffei GmbH
Filing date: 1974-02-22
Publication date: 1976-11-11

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonde der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art.The invention relates to a probe of the type specified in the preamble of claim 1.

Eine derartige Sonde ist bekannt (z. B. DT-OS 21 58 387). Bei der bekannten Sonde ist eine Meßspule vorgesehen, welche mit einem hochfrequenten Signal gespeist wird. Die Meßspule ist dabei in einer Ebene gewickelt und in einem geringen Abstand von der Meßfläche angeordnet, welche beispielsweise von dem horizontalen Abschnitt der Magnetankerschiene einer Magneischwebebahn gebildet werden kann. Die abstandsabhängige Impedanz der Meßspule dient als Maß für den Abstand zwischen der Meßfläche und der Meßspule und wird als Istwert-Information für eine Regeleinrichtung des Magnetschwetefahrzeugs benutzt. Die Meßimpedanz wird indessen durch eine Reihe von Störfaktoren beeinflußt, welche das Meßergebnis verfälschen. Derartige Störfaktoren sind beispielsweise remanente Magnetfelder der Ankerschiene, die Magnetfelder der Trag- und/oder Führungsmagneten des Magnetschwebefahrzeuges sowie elektrostatische Felder zwischen der Ankerschiene mit daraufliegenden dielektrischen Schichten (Eis, Wasser) und der Meßspule. Such a probe is known (e.g. DT-OS 21 58 387). The known probe has a measuring coil provided, which is fed with a high-frequency signal. The measuring coil is in one plane wound and arranged at a small distance from the measuring surface, which, for example, from the horizontal section of the magnet armature rail of a Magneischwebbahn can be formed. The distance-dependent The impedance of the measuring coil serves as a measure of the distance between the measuring surface and the Measuring coil and is used as actual value information for a control device of the magnetic levitation vehicle. The measurement impedance is, however, influenced by a number of interfering factors which affect the measurement result distort. Such disruptive factors are, for example, remanent magnetic fields of the anchor rail, the magnetic fields the support and / or guide magnets of the magnetic levitation vehicle as well as electrostatic fields between the anchor rail with dielectric layers (ice, water) on it and the measuring coil.

Es ist ferner durch die DT-AS 12 75 776 eine Abstandsmeßsonde bekannt, bei der die Meßspule in einen topfförmigen, zum Meßobjekt hin offenen oder geschlossenen Metallschirm eingesetzt ist, um das elektromagnetische Feld der Spule auf eine kleine Teilfläche zu konzentrieren und damit das Auflösungsvermögen bzw. die Meßgenauigkeit der Meßsonde gegenüber Meßsonden ohne Metallschirm zu verbessern. Indessen kann auch mit einer derartigen Abstandsmeßsonde der Einfluß der eingangs erwähnten Störfaktoren auf die Meßgenauigkeit nur geschwächt, aber nicht völlig beseitigt werden.It is also known from DT-AS 12 75 776 a distance measuring probe in which the measuring coil in a cup-shaped metal screen that is open or closed towards the object to be measured is used to protect the To concentrate the electromagnetic field of the coil on a small sub-area and thus the resolving power or the measuring accuracy of the measuring probe to improve compared to measuring probes without a metal screen. However, it can also be done with such a Distance measuring probe only weakens the influence of the above-mentioned interference factors on the measurement accuracy, but cannot be eliminated entirely.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bekannte Meßsonde dahingehend zu verbessern, daß eine im wesentlichen störungsfreie und damit genauereThe object of the invention is to improve the known measuring probe to the effect that an essentially trouble-free and therefore more accurate

Messung gewährleistet istMeasurement is guaranteed

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöstThe object is achieved according to the invention by the features specified in the characterizing part of claim 1 solved

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Sonde gemäß Anspruch 1 sind in den Ansprüchen 2 bis 17 gekennzeichnetAdvantageous refinements and developments of the probe according to claim 1 are given in claims 2 marked to 17

Durch die erfindungsgemäße Abschirmung der in Form einer einzigen Windung ausgebildeten Meßspule kann der störende Einfluß von elektrostatischen Feldern zwischen der Meßfläche und der Sonde im wesentlichen ausgeschlossen werden. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Sonde bei einer Magnetschwebebahn kann ferner der störende Einfluß von remanenten Magnetfeldern der als Meßfläche herangezogenen Ankerschiene infolge des bei den verwendeten Frequenzen im Bereich von 0,5 bis 15 MHz auftretenden Skineffektes vermieden werden, während der störende Einfluß der von den Trag- und/oder Führungsmagneten erzeugten Magnetfelder durch Ausbildung der Meßspule als Luftspule beseitigt werden kann. Das bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehene Sondengehäuse stellt mit seiner in einem größeren Abstand zur Wicklungsebene der Meßspule liegenden Rückwand einen definierten, einseitigen Abschluß für die Meßsonde dar, wodurch reproduzierbare Meßverhältnisse gewährleistet sind. Weiterhin kann durch das bevorzugt vorgesehene Vergießen der Meßspule in dem mit einem porösen Distanziörper versehenen Sondengehäuse die Sonde eine hohe Druckbelastung aufnehmen. Eine derartige Druckbelastung tritt beispielsweise dann auf, wenn die erfindungsgemäße Sonde zur Messung des horizontalen Abstandes eines Magnetschwebefahrzeugs zu der benachbarten Magnetankerschiene verwendet wird und das Fahrzeug infolge von Schlingerbewegungen sich den Magnetankerschienen so weit annähert, daß die Sonde mit der betreffenden Meßfläche der Magnetankerschiene in Berührung gelangt.The inventive shielding of the measuring coil, which is designed in the form of a single turn, can essentially exclude the disruptive influence of electrostatic fields between the measuring surface and the probe. When using the probe according to the invention on a magnetic levitation train, the disruptive influence of remanent magnetic fields of the anchor rail used as the measuring surface due to the skin effect occurring at the frequencies used in the range from 0.5 to 15 MHz can be avoided, while the disruptive influence of the and / or guide magnets generated magnetic fields can be eliminated by designing the measuring coil as an air-core coil. The probe housing provided in a preferred embodiment of the invention, with its rear wall located at a greater distance from the winding plane of the measuring coil, represents a defined, one-sided closure for the measuring probe, which ensures reproducible measuring conditions. Furthermore, due to the preferably provided encapsulation of the measuring coil in the probe housing provided with a porous spacer body, the probe can absorb a high pressure load. Such a pressure load occurs, for example, when the probe according to the invention is used to measure the horizontal distance between a magnetic levitation vehicle and the adjacent magnet armature rail and the vehicle, as a result of rolling movements, approaches the magnet armature rails so far that the probe comes into contact with the relevant measuring surface of the magnet armature rail .

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail with reference to the drawings. It shows

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sonde undFig. 1 is a perspective view of an inventive Probe and

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Windung der Meßspule einer erfindungsgemäßen Sonde.F i g. 2 shows a cross section through the winding of the measuring coil of a probe according to the invention.

Die in Fig. 1 dargestellte Sonde gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine Meßspule 1 ausweiche aus einer einzigen Windung einer koaxialen Leiteranordnung 2 besteht. Die koaxiale Leiteranordnung 2 enthält, wie aus dem in F i g. 2 dargestellten Querschnitt näher hervorgeht, einen metallischen Innenleiter 3, welcher mit einem hohlzylindrischen Distanzelement 4 aus Isoliermaterial, beispielsweise Tetrafluoräthylen, umgeben ist. Auf dem Distanzelement 4 ist ein metallischer Außenleiter 5, beispielsweise aus Kupfer aufgebracht. Der metallische Außenleiter 5 ist an einer Stelle 6 des Windungsumfanges der Meßspule 1 entfernt, um die Ausbildung von Längsströmen auf dem Außenleiter 5 und damit von Magnetfeldern zu verhindern. Im Bereich der sich f,₀ annähernden Enden der koaxialen Leiteranordnung 2 sind die betreffenden Abschnitte des metallischen Außenleiters 5 über einen Bügel 7 elektrisch leitend miteinander verbunden. Durch diese Maßnahme sowie durch die Entfernung des Außenleiters 5 an der Stelle 6 <,₅ bilden die Abschnitte 8 und 9 des Außenleiters 5 jeweils eine Elektrode eines über den Bügel 7 kurzgeschlossenen Kondensators.The probe shown in FIG. 1 according to a preferred exemplary embodiment of the invention has a measuring coil 1 which consists of a single turn of a coaxial conductor arrangement 2. The coaxial conductor arrangement 2 contains, as shown in FIG. 2, a metallic inner conductor 3, which is surrounded by a hollow cylindrical spacer element 4 made of insulating material, for example tetrafluoroethylene, emerges in more detail. A metallic outer conductor 5, for example made of copper, is applied to the spacer element 4. The metallic outer conductor 5 is removed at a point 6 on the circumference of the winding of the measuring coil 1 in order to prevent the formation of longitudinal currents on the outer conductor 5 and thus of magnetic fields. In the area of the _{ends of the coaxial conductor arrangement 2 approaching f, 0} , the relevant sections of the metallic outer conductor 5 are connected to one another in an electrically conductive manner via a bracket 7. As a result of this measure and the removal of the outer conductor 5 at the point 6 <, ₅ , the sections 8 and 9 of the outer conductor 5 each form an electrode of a capacitor short-circuited via the bracket 7.

Die Meßspule 1 liegt auf einem Distanzkörper 10. welcher seinerseits innerhalb eines Sondengehäuses 11 angeordnet ist. Zwischen den Seitenwänden sowie einer gegebenenfalls vorgesehenen, nicht dargestellten Deckplatte (zur Aufnahme von mechanischen Belastungen) einerseits und dem Distanzkörper 10 andererseits ist ein Spielraum vorhanden, welcher bei dem Vergießen der Meßspule I und des Distanzkörpers 10 mit einer isolierenden Vergießmasse, beispielsweise ein Kunststoffkleber aus Äthoxylinharzen oder Epoxyharzen, ausgefüllt wird. Der Distanzkörper 10 ist dabei in bevorzugter Weise porös oder sandwichartig aus einem spezifisch leichten Werkstoff (Papier) ausgebildet, welcher bei dem erwähnten Vergießen mit der Vergießmasse ausgefüllt wird. Das erwähnte Vergießen ist indessen nur dann erforderlich, wenn die in F i g. 1 dargestellte Meßsonde hohen Druck aufzunehmen hat, wobei die in diesem Falle vorgesehene Deckplatte einem mechanischen Verschleiß unterliegt.The measuring coil 1 lies on a spacer body 10, which in turn lies within a probe housing 11 is arranged. Between the side walls and an optionally provided cover plate, not shown (to absorb mechanical loads) on the one hand and the spacer 10 on the other hand is a Clearance available, which in the encapsulation of the measuring coil I and the spacer 10 with a insulating potting compound, for example a plastic adhesive made of ethoxylin resins or epoxy resins, is filled out. The spacer body 10 is preferably porous or sandwich-like from one specifically light material (paper) formed, which in the mentioned encapsulation with the Potting compound is filled. The mentioned potting is only necessary if the in F i g. 1 The measuring probe shown has to absorb high pressure, the cover plate provided in this case is subject to mechanical wear.

Das Sondengehäuse 11 ist quaderförmig entsprechend der im wesentlichen rechteckförmigen Ausbildung der Meßspule 1 ausgebildet und weist gegebenenfalls die oben erwähnte abnehmbare Deckplatte auf. während die übrigen Wände sowie der Boden 12 zu einem v,annenartigen Behälter verbunden sind. Der parallel zur Windungsebene der Meßspule 1 orientierte Boden 12 weist einen erheblich größeren Abstand zu dieser Windungsebene auf als die nicht dargestellte Meßfläche, wobei es wünschenswert ist, die Meßspule 1 möglichst nahe der Meßfläche anzuordnen. Gegenüber der bekannten Sonde gemäß der DT-OS 21 58 387 weist die in F i g. 1 dargestellte erfindungsgemäße Sonde den Vorteil auf, daß der Boden 12 einen definierten, einseitigen Abschluß für die Meßspule 1 darstellt, wodurch reproduzierbare Meßverhältnisse sowohl im ausgebauten als auch im eingebauten Zustand (z. B. in einen Magnetschwebefahrzeug), gewährleistet sind. Der Boden 12 besteht ebenso wie die mit ihm verbundenen Teile des wannenförmigen Behälters in bevorzugter Weise aus einem unmagnetischen elektrisch leitenden Material, beispielsweise Aluminium, was den weiteren Vorteil besitzt, leicht zu sein. Dagegen besteht die nicht dargestellte Deckplatte des Sondengehäuses 11 aus einem isolierenden, d. h. unmagnetischen und elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise aus Pertinax, und kann zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften mit einer Auflage aus Tetrafluoräthylen versehen sein.The probe housing 11 is cuboid according to the substantially rectangular design the measuring coil 1 and optionally has the above-mentioned removable cover plate. while the other walls and the bottom 12 are connected to a v, annen-like container. the Base 12 oriented parallel to the winding plane of the measuring coil 1 has a considerably larger distance this winding plane on than the measuring surface, not shown, it is desirable that the measuring coil 1 to be arranged as close as possible to the measuring surface. Compared to the known probe according to DT-OS 21 58 387 has the in F i g. 1 illustrated probe according to the invention has the advantage that the bottom 12 has a defined, represents unilateral termination for the measuring coil 1, whereby reproducible measuring conditions both in the removed and installed (e.g. in a magnetic levitation vehicle) are guaranteed. the Bottom 12, like the parts of the tub-shaped container connected to it, is preferred Way of a non-magnetic, electrically conductive material, for example aluminum, what the other Has the advantage of being light. In contrast, the cover plate, not shown, of the probe housing 11 consists of an insulating, d. H. non-magnetic and electrically non-conductive material, e.g. made of Pertinax, and can be provided with a tetrafluoroethylene coating to improve wear properties being.

Die innerhalb des Sondengehäuses 11 angeordnete Meßspule 1 ist mit ihren Anschlüssen durch Isolierdurchführungen 13, 14 der vertikalen Gehäusewand 15 hindurchgeführt und z. B. über eine nicht dargestellte induktive Meßbrücke mit einer hochfrequenten Signalquelle 16 verbunden. An Stelle einer induktiven Meßbrücke können auch andere Meßverfahren verwendet werden, was durch die mit gebrochenen Linien eingezeichnete Verbindung der Meßspule 1 mit der Signalquelle 16 in Fig. 1 angedeutet werden soll. Die Signalquelle 16 beaufschlagt die Meßspule 1 mit einer Spannung, deren Frequenz im Bereich zwischen 0,5 bis 15 MHz liegt, vorzugsweise bei 10 MHz. Bei derartigen hohen Frequenzen wird der in der nicht dargestellten Meßfläche von der Meßspule 1 induzierte Strom entsprechend dem Skineffekt in den Oberflächenbcreich der Meßfläche verdrängt, wodurch der Einfluß remanenter Magnetfelder der Meßfläche auf das Meßergebnis im wesentlichen beseitigt wird.The measuring coil 1 arranged within the probe housing 11 is connected with its connections through insulating bushings 13, 14 of the vertical housing wall 15 passed and z. B. via a not shown inductive measuring bridge connected to a high-frequency signal source 16. Instead of an inductive Measuring bridge, other measuring methods can also be used, as indicated by the broken lines Drawn connection of the measuring coil 1 with the signal source 16 in Fig. 1 is to be indicated. the Signal source 16 applies a voltage to measuring coil 1, the frequency of which is in the range between 0.5 and 15 MHz, preferably 10 MHz. In the case of such high frequencies, that is not shown in FIG The measuring surface of the measuring coil 1 induced current in the surface area in accordance with the skin effect displaced from the measuring surface, whereby the influence of remanent magnetic fields of the measuring surface on the Measurement result is essentially eliminated.

Ein Ausführungsbeispiel der in Fig. 1 dargestelltenAn embodiment of the one shown in FIG

erfindungsgemäßen Sonde wies folgende Abmessungen auf:The probe according to the invention had the following dimensions on:

Innenleiter 3 aus versilbertem Kupfer mit einem Durchmesser von 1,0 mm;Inner conductor 3 made of silver-plated copper with a diameter of 1.0 mm;

Außenleiter 5 aus Kupfer mit einem Außendurchmesser von 3,6 mm und einem Innendurchmesser von 3 mm;Outer conductor 5 made of copper with an outer diameter of 3.6 mm and an inner diameter of 3 mm;

Abstandselemeni 4 aus Tetrafluoräthylen;
Sondengehäuse 11 3us Aluminium mit einer Länge von 300 mm, einer Höhe von 60 mm und einer Breite von 90 mm;Spacer elements 4 made of tetrafluoroethylene;
Probe housing 11 3 made of aluminum with a length of 300 mm, a height of 60 mm and a width of 90 mm;

Meßspule 1 mit einer Länge von 250 mm und einer Breite von 50 mm.Measuring coil 1 with a length of 250 mm and a width of 50 mm.

Das Sondengehäuse 11 wurde mit einem Kunststoffkleber aus Äthoxylin-Harzen(»Araldite«) ausgegossen. Für die Bemessung des Sondengehäuses 11 sind folgende Gesichtspunkte maßgebend:The probe housing 11 was secured with a plastic adhesive poured from ethoxylin resins (»Araldite«). For the dimensioning of the probe housing 11 are the following aspects are decisive:

Die Höhe des Gehäuses soll möglichst groß sein, um die Meßempfindlichkeit der Meßspule 1 zu steigern. Die Breite des Sondengehäuses 11 richtet sich nach der Breite der Meßfläche, und soll bei Verwendung einer Magnetankerschiene als Meßfläche schmäler als diese sein. Falls die Breite der Meßfläche unkritisch ist, soll das Breiten-Längen-Verhältnis der Meßspule so gewählt werden, daß die von deren Windungen eingeschlossene Fläche möglichst groß ist. Die Länge des Sondengehäuses 11 soll ausreichend groß sein, damit Oberflächenunebenheiten der Meßfläche, die zu punktuellen Unterschieden des Abstandes zwischen der Meßfläche und der Meßspule führen, über eine möglichst große Windungsfläche ausgemittelt werden.The height of the housing should be as large as possible in order to increase the measuring sensitivity of the measuring coil 1. the Width of the probe housing 11 depends on the width of the measuring surface, and when using a Magnetic armature rail as a measuring surface should be narrower than this. If the width of the measuring surface is not critical, should the width-length ratio of the measuring coil can be chosen so that that enclosed by its turns Is as large as possible. The length of the probe housing 11 should be sufficiently large so that Surface unevenness of the measuring surface, which leads to punctual differences in the distance between the The measuring surface and the measuring coil are averaged over as large a winding area as possible.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claims: 24,583

1. .Sensor for measuring the distance between a measuring surface and the probe, in particular for Measurement of the horizontal or vertical distance between a magnetic levitation vehicle and Split a roadway for the magnetic levitation vehicle, with one of a high frequency signal source powered measuring coil, which is arranged opposite the measuring surface, characterized in that, that a single turn of an electrical conductor (3) is provided as the measuring coil (1) is, which is provided with a coaxial outer conductor (5) at a point (6) of the winding circumference the measuring coil (1) is interrupted and that the outer conductor sections in the area of the Approaching ends of the conductor (3) via a bracket (7) or the like. Are electrically connected.

2. Probe according to claim 1, characterized in that the measuring coil (1) is substantially rectangular is trained.

3. Probe according to claim 1 and 2, characterized in that the measuring coil (1) in an im essentially cuboid, electrically conductive probe housing (11) is arranged such that the The winding plane of the measuring coil (1) is aligned parallel to a bottom surface (12) of the probe housing (11) and that the distance between the winding plane and the bottom surface (12) is greater than that of the measuring surface.

4. Probe according to claim 1 to 3, characterized in that between the measuring coil (1) and an electrically non-conductive spacer (10) is arranged on the bottom surface (12).

5. Probe according to claim 4, characterized in that the spacer body (10) or porous is sandwiched.

6. Probe according to claim 3, characterized in that the probe housing (11) has a removable Has cover plate, which consists of an electrically insulating material and that the rest Side walls of the probe housing (11) are connected to form a trough-shaped container.

7. Probe according to claim 6, characterized in that the trough-shaped container consists of a non-magnetic material.

8. Probe according to claim 7, characterized in that the non-magnetic material is aluminum is provided.

9. Probe according to claim 4 to 6, characterized in that the measuring coil (1) in the tub-shaped container is cast in by means of an electrically insulating potting compound.

10. A probe according to claim 9, characterized in that a synthetic resin is provided as Vergießm ^ sse is.

11. Probe according to claim 9, characterized in that that a plastic adhesive made of ethoxylin resins or epoxy resins is provided as a potting compound is.

12. Probe according to one or more of the preceding claims 1 to 11, characterized characterized in that one side wall (15) of the probe housing (11) has insulating bushings (13,14) is provided for the ends of the measuring coil (1).

13. Probe after one or more of the

preceding claims 1 to 12, characterized in that the inner conductor (3) of one hollow cylindrical spacer element (4) is surrounded by insulating material and that the on the spacer element (4) applied outer conductor (5) consists of copper.

14. Probe according to claim 13, characterized in that the spacer element (4) made of tetrafluoroethylene consists

15. Probe according to one or more of the preceding claims 1 to 14, characterized characterized in that the frequency of the signal source (16) is in a range from 0.5 to 15 MHz

16. Probe according to one or more of claims 1 to 15, characterized in that the Width of the essentially rectangular measuring coil (1) is less than the width of the measuring surface is sized.

17. Probe according to one or more of the preceding claims 1 to 16, characterized characterized in that the length of the substantially rectangular measuring coil (1) is sufficiently large is dimensioned so that the output signal of the measuring coil (1) has a mean value over punctiform represents different distances between the measuring surface and the tier probe.