1.5 Induktive Messverfahren

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04-2122080 Messtechnik / Sensorik (MS1) 47 Bild 40: Schematische Darstellung eines induktiven Näherungsschalters Im Bild 41 sind verschiedene Bauformen von induktiven Näherungsschaltern dargestellt [Festo, 1999]. 1.5.2.1.1 Funktionsweise Die Elektronik erzeugt ein hochfrequentes Signal, das von der Spule in ein Magnetfeld gleicher Frequenz umgesetzt wird. Der elektronische Aufbau basiert auf einem bedämpften elektrischen Oszillator-Schaltkreis, welcher die Spule als ein Oszillatorelement enthält. Der Ferritkern ist so geformt, dass der größte Teil der Magnetfeldlinien in ihm geführt wird. Nur in Messrichtung ist der Kern offen, so dass die Magnetfeldlinien aus dem Gehäuse austreten können und vor dem Näherungsschalter ein Messfeld bilden (siehe Bild 40). Mit zunehmendem Abstand vom Schalter nimmt die Flussdichte des Magnetfelds immer mehr ab, so dass auch die Empfindlichkeit für ein Messobjekt immer kleiner wird. Befindet sich ein Messobjekt innerhalb des Schaltabstands, induziert das Magnetfeld Ströme im Messobjekt. Auswirkungen dieser Ströme werden von der Elektronik registriert und führen zur Änderung des Schaltzustands des Sensors (siehe Kapitel 1.5.2.1.2). Bild 41: Darstellung einiger induktiver Näherungsschalter [Festo, 1999] 1.5.2.1.2 Bauarten Es existieren verschiedene Bauarten induktiver Näherungsschalter, die sich weniger im mechanischen als im elektronischen Aufbau voneinander unterscheiden. Zwei dieser Bauarten werden hier beschrieben.
48 Messtechnik / Sensorik (MS1) 04-2122080 Bei der ersten Bauart wird ein kontinuierlich wechselndes Magnetfeld mit der Spule erzeugt. Die Elektronik überwacht die Güte des Schwingkreises und dadurch die Impedanz der Spule, die sich bei der Annäherung eines metallischen Gegenstands ändert. Bei der anderen Bauart wird das Magnetfeld gepulst erzeugt [Contrinex, 2000]. Die im Messobjekt induzierten Wirbelströme erzeugen wiederum selbst ein Magnetfeld, dass dem vom Sensor erzeugten entgegengerichtet ist (Lenzsche Regel [Hering et al., 1989, Feynman, 1987]). Nach dem Ausschalten des Sensormagnetfelds brechen die induzierten Wirbelströme nicht sofort zusammen, so dass das entgegengesetzte Magnetfeld noch einen kurzen Moment länger existiert und beim Abklingen in der Spule des Sensors eine Spannung Uind induziert, die von der Elektronik registriert und ausgewertet wird. Die induzierte Spannung ist abhängig von der Querschnittsfläche der Spule An und der magnetischen Induktion B, die aus den Wirbelströmen resultiert. U ind ⎛ dB dAn ⎞ = − N ⎜ An + B⎟ ⎝ dt dt ⎠ 1.5.2.2 Ursachen von Messabweichungen Da bei diesem Verfahren nur ein Schaltvorgang ausgelöst wird, wenn sich ein Messobjekt im überwachten Bereich befindet, führen variierende Umgebungsbedingungen nur selten zu Fehlschaltungen. Durch geeignete Wahl der Messumgebung (z.B. Abschirmung gegen andere hochfrequente Felder) lassen sich Fehlschaltungen sogar nahezu vollständig ausschließen. Literatur: [Festo, 1999] Katalog der Firma Festo, „Induktive Sensoren, Robust – sicher – fortschrittlich“, S. 2, 1999 [Contrinex, 2000] Katalog der Firma Contrinex, „induktive Näherungsschalter – Hochleistungsprogramm“, 2000 [Hering et al., 1989] Hering, Ekbert, Rolf Martin, Martin Stohrer, „Physik für Ingenieure“, VDI- Verlag, 3. Auflage, 1989 [Feynman, 1987] Feynman, Richard P., „Vorlesungen über Physik“, Oldenbourg Verlag, München, 1987 1.5.3 Induktive Drehzahlmessung (Wirbelstromtachometer) Neben rein mechanisch arbeitenden Drehzahlmessgeräten mit eingeschränkten Messbereichen ist das Wirbelstromtachometer ein einfaches und sehr gebräuchliches Drehzahlmessgerät. In der Vergangenheit wurde es zum Beispiel in Kraftfahrzeugen in großem Umfang verwendet. Heute setzen sich auch in diesem Bereich die digitalen Messverfahren immer mehr durch. 1.5.3.1 Aufbau Bild 42 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Wirbelstromtachometers. Die Welle, deren Drehzahl n gemessen werden soll, ist im Gehäuse 1 drehbar gelagert. Mit dieser Welle sind ein Dauermagnet 3 und eine Eisenrückschlußglocke 2 fest verbunden. In den Luftspalt zwischen dem Dauermagneten 3 und der Eisenrückschlußglocke 2 greift eine drehbar gelagerte, jedoch durch die Spiralfeder 5 gefesselte Glocke 4 aus einem Buntmetall ein. Das vom Dauermagneten 3 erzeugte Magnetfeld wird über die Glocke 4 und die Eisenrückschlußglocke 2 geschlossen. Die Richtung dieses Magnetfeldes rotiert mit der Drehzahl n. In der Glocke 4 werden durch das rotierende Magnetfeld Wirbelströme erzeugt, die zu einem entgegengesetzten Magnetfeld führen (Lenzsche Regel [Hering et al., 1989, Feynman, 1987]). Zwischen beiden Magnetfeldern wirken, aufgrund der entgegengesetzten Richtung, anziehende Kräfte. Somit wirkt ein Drehmoment auf die Glocke, wodurch sie umso stärker aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird, je größer die Drehzahl n ist (siehe Bild 43). Hierbei stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem durch die Wirbelströme in der Glocke 4 erzeugten Drehmoment und dem entgegengesetzt gerichteten Drehmoment ein, das die Spiralfeder 5 entsprechend ihrer jeweiligen Verformung aufbringt. Der Zeiger 6 zeigt die Auslenkung der Glocke 4 und damit auf einer entsprechend kalibrierten Skala auch die Drehzahl n an. (81)
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