Elektromechanische Messvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromechanische Messvorrichtung, in welcher die Schwankungen der zu messenden Grössen in verhältnisgleiche Änderungen des Abstandes der des Dielektrikums zwischen den parallelen Platten eines veränderbaren, an einen Wechselspannungsgenerator angeschlossenen und mit einem festen Vergleichskondensator in Reihe geschalteten Plattenkon densators umgewandelt und dadurch in Spannungsänderungen zwischen den Klemmen des veränderbaren Plattenkonclensators umgesetzt werden.
Bei diesen Vorrichtungen liegt praktisch keine lineare Abhängigkeit zwischen den Klemmenspan n ungsschwankungen des veränderbaren Plattenkon densators und den Änderungen des Plattenabstandes bzw. der Dielektrizitätskonstante desselben vor, da der Krafdinienfluss des veränderbaren Plattenkondensators nicht ausschliesslich zwischen den Kondensatorplatten, sondern unvermeidlich auch zwischen anderen, mit den Kondensatorplatten verbundenen und untereinander nicht bewegten elektrischen Leitern erfolgt und dieser Neben- oder Streufluss der Kraftlinien eine mit dem veränderbaren Plattenkondensator parallel geschaltete und von der Messung unabhängige feste Kapazität zur Folge hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die sen Nachteil zu beheben und eine Messvorrichtung der vorgenannten Art zu schaffen, welche - trotz dem praktisch unvermeidlichen Neben- und Streufluss der Kraftlinien am veränderbaren Plattenkondensator und der davon bedingten parallel geschalteten festen Kapazität - an den Klemmen dieses Kondensators eine den Änderungen des Plattenabstandes bzw. der Dielektrizitätskonstante und infolgedessen den Schwankungen der zu messenden Grösse verhältnisgleiche Spannungsänderung liefert.
Die Erfindung besteht darin, dass die Höhe der vom Wechselspannungsgenerator erzeugten Spannung selbsttätig derart verändert wird, dass die Differenz zwischen der Klemmenspannung des festen Vergleichskondensators und einem Bruchteil der Klemmenspannung des veränderbaren Plattenkondensators einen festen Wert beibehält.
Zweckmässig hängt dabei die von dem Wechselspannungsgenerator erzeugte Spannungshöhe von einer Steuerspannung ab, die durch den Unterschied zwischen einer festen Vergleichsspannung und der Differenz zwischen der Klemmenspannung des festen Vergleichskondensators und einem Bruchteil der Klemmenspannung des veränderbaren Plattenkondensators erhalten wird.
Bei dieser Anordnung kann der von der Klemmenspannung des festen Vergleichskondensators abgezogene Bruchteil der Klemmenspannung des ver änderbaren Plattenkondensators derart bestimmt werden, dass sich eine lineare Abhängigkeit zwischen den an den Klemmen des veränderbaren Plattenkondensators erhaltenen Spannungsänderungen und den Schwankungen des Plattenabstandes bzw. der Dielektrizitätskonstante dieses Kondensators und folglich den Schwankungen der zu messenden Grösse einstellt.
Es ist dabei für die Erfindung belanglos, mit welchen Mitteln die Abänderung der vom Wechselspannungsgenerator erzeugten Spannungshöhe oder die Differenz zwischen der Klemmenspannung des festen Vergleichskondensätors undi dem festgesetzten Bruchteil der Klemmenspannung des veränderbaren Plattenkondensators bzw. die durch den Unterschied zwischen dieser Spannungsdifferenz und einer festen Vergleichs spannung erzielte Steuerspannung für den Wechselspannungsgenerator erhalten werden.
Die Erfindung ist anhand des in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausftihrungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 4 einige an sich bekannte Ausführungen der elektromechanischen Messvorrichtung, bei welchen der Erfindungsgedanke Anwendung finden kann,
Fig. 5 und 6 das Grundschaltbild dieser Messvorrichtungen und die damit erhaltenen theoretischen und praktischen Abhängigkeitskurven zwischen dem Plattenabstand des veränderbaren Plattenkondensators und der an den Klemmen dieses Kondensators gemessenen Spannung,
Fig. 7 das allgemeine Schaltbild einer Messanordnung,
Fig. 8 das Schaltschema eines praktischen Ausführungsbeispieles der Erfindung.
In der Zeichnung sind solche an sich bekannte elektromechanische Messvorrichtungen dargestellt, bei welchen die Schwankungen der zu messenden Grösse in verhältnisgleiche Änderungen des Abstandes D1 zwischen den parallelen Platten P1 und P2 eines ver änderbaren, an einem Wechselspannungsgenerator 3 angeschlossenen und mit einem festen Vergleichskondensator 2 in Reihe geschalteten Plattenkondensators 1 umgewandelt und dadurch in Spannungsänderungen zwischen den Klemmen dieses veränderbaren Plattenkondensators 1 umgesetzt werden (siehe Fig. 5).
Es ist dabei gleichgültig, was für eine Grösse zu messen ist und mit welchen mechanischen Mitteln die Schwankungen dieser Grösse in verhältnisgleiche Än- derungen des Abstandes D1 zwischen den Kondensatorplatten Pl, P2 umgewandelt werden.
Es kann sich zum Beispiel darum handeln, die Dickenabweichungen von Werkstücken 4 in bezug auf einen festgelegten Normwert festzustellen (Fig. 1 und 2). In diesem Fall kann der veränderbare Plattenkondensator 1 eine feststehende Platte P1 und eine von und zu derselben bewegliche Platte P2 aufweisen, welch letztere von einem durch eine Feder 5 gegen das Werkstück 4 gedrückten Tasthebel 6 oder dergleichen getragen ist (Fig. 1). Die Dickenschwankungen des auf einer Unterlage 7 ruhenden oder bewegten Werkstückes 4 rufen Verschwenkungen des Tasthebels 6 und entsprechende Änderungen des Abstandes D1 zwischen den Kondensatorplatten Pl, P2 herbei.
Dabei kann ohne weiteres angenommen werden, dass die Kondensatorplatten P1, P2 stets parallel zueinW ander bleiben, da eine solche Vorrichtung nur zu Feinstmessungen benutzt wird und die Verschwenkungen des Tasthebels 6 so klein sind, dass die entsprechende Schiefstellung der Kondensatorplatten Pl, P2 vernachlässigt werden kann.
Bei Metallwerkstücken 4, die eine ebene Oberfläche aufweisen, zum Beispiel bei Blechen oder dergleichen, kann das von einer Unterlage 7 getragene Werkstück 4 einer festen, mit der einen Klemme des Wechselspannungsgenerators 6 verbundenen Kondensatorplatte Pl gegenübergestellt und an der anderen Klemme des Wechselspannungsgenerators 6 angeschlossen werden (Fig. 2). Bei dieser Anordnung stellt das Werkstück 4 selbst die bewegliche Platte P2 des Plattenkondensators 1 dar und seine Dickenschwankungen äussern sich in verhältnisgleichen Änderungen des Abstandes zwischen der festen Kondensatorplatte P1 und der dieser zugekehrten Werkstückoberfläche.
Für die Messung der Durchmesserschwankungen von Bohrungen 8 können zwei veränderbare Plattenkondensatoren 1 benutzt werden (Fig. 3), deren bewegliche Platten P2 von je einem Tasthebel 6 oder dergleichen getragen werden. Diese Tasthebel 6 werden durch Feder 5 in zwei diametral entgegengesetzten Punkten gegen die Bohrungswandung gedrückt. Die untereinander unabhängigen Bewegungen der Tasthebel 6 werden in verhältnisgleiche Abstandsänderungen zwischen den Platten Pl P2 der zugeordneten Plattenkondensatoren 1 und dadurch in Spannungsschwankungen an den Klemmen dieser Kondensat ren umgesetzt. Die Summe dieser Spannungsschwankungen liefert ein Mass für die Durchmesserschwankungen der Bohrung 8.
Die Vorrichtung kann auch bei Gewichtsmessungen Verwendung finden, indem zum Beispiel der Abstand zwischen den Platten P1, P2 des veränderbaren Plattenkondensators 1 durch die Ausschläge einer Wiegevorrichtung abgeändert wird. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die bewegliche Kondensatorplatte P2 von einer Wiegeschale 9 getragen, die durch eine Feder 10 abgestützt und von und zu der festen Kondensatorplatte Pl bewegbar ist. Die Bewegungen der Wiegeschale 9 infolge der Schwankungen des daraufgelegten Gewichtes rufen verhältnisgleiche änderungen des Abstandes D1 zwischen den Platten P1, P2 des Kondensators 1 herbei.
Im Falle von nichtmetallischen Werkstücken, zum Beispiel von Zigaretten, ist es möglich, beide Platten P1, P2 des veränderbaren Plattenkondensators 1 als feste Platten auszubilden und das Werkstück dazwischen durchzuführen. Die Dicken- oder Dichteschwankungen des Werkstückes führen hierbei zu einer Anderung der Dielektrizitätskonstante dieses Kondensators, die sich ebenfalls in einer Spannungsschwankung an den Kondensatorklemmen äussert. Da diese Änderung des Dielektrikums des veränderbaren Plattenkondensators 1 einer Änderung des Plattenabstandes D1 desselben gleichkommt, wird im nachfolgenden nur vom Plattenabstand D1 die Rede sein.
Die an den Klemmen des veränderbaren Plattenkondensators 1 durch die Anderung des Plattenabstandes D1 hervorgerufenen Spannungsschwankungen können durch ein beliebiges Gerät gemessen undioder für die Regelung der Vorrichtung, von der die zu messende Grösse abhängt, benutzt werden.
Bei den Messvorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art kann eine lineare Abhängigkeit zwischen der Klemmenspannung El des veränderbaren Plattenkondensators 1 und den durch die Schwankungen der zu messenden Grösse herbeigeführten Änderungen des Plattenabstandes D1 nur dann erhalten werden, wenn der Kraftlinienfluss in dem veränderbaren Plattenkondensator 1 ausschliesslich zwischen den im Verhältnis zu ihrem Abstand D 1 sehr weiten Platten P1, P2 dieses Kondensators erfolgt.
Diese lineare Abhängigkeit, die in der Fig. 6 mit der Geraden A veranschaulicht ist, kann jedoch nur theoretisch erzielt werden, da in der Praxis - trotz allen baulichen Gegenmassnahmen - ein Neben- oder Streufluss der Kraftlinien zwischen anderen, mit den Kondensatorplatten P1, P2 verbundenen und untereinander nicht oder im Vergleich zu ihrem Abstand verschwindend schwach bewegten elektrischen Leitern unvermeidlich ist. Dieser Neben- oder Streufluss der Kraftlinien, der insbesondere dann schwer zu vermeiden ist, wenn die eine Kondensatorplatte mit der Masse verbunden ist, wirkt sich als eine mit dem veränderbaren Plattenkondensator 1 parallel geschaltete und von den Schwankungen der zu messenden Grösse unabhängige, das heisst feste Kapazität C aus, die in dem Schaltschema der Fig. 5 strichpunktiert eingezeichnet ist.
Diese feste Kapazität C hebt die theoretische lineare Abhängigkeit zwischen der Klemmenspannung El des veränderbaren Plattenkondensators 1 und dem Plattenabstand D1 desselben auf und die entsprechende Abhängig keitskurve nimmt etwa den in der Fig. 6 strichpunktiert eingezeichneten Verlauf B an. Dadurch entstehen folgende schwerwiegende Nachteile:
Die von den Spannungsschwankungen zwischen den Klemmen des veränderbaren Plattenkondensators 1 gesteuerten Messgeräte müssen eine nichtlineare, von Fall zu Fall geeichte Skala aufweisen. Soll die Klemmenspannung El des veränderbaren Plattenkondensators 1 für die Steuerung einer Regelvorrichtung herangezogen werden, so sind ziemlich komplizierte und kostspielige Anordnungen erforderlich.
Die Nulleinstellung der Messvorrichtung bzw. das Verstellen des Nullpunktes kann nicht mit rein elektrischen Mitteln und ohne wesentliche Herabsetzung der Messempfindlichkeit erzielt werden. Es ist ferner nicht möglich, die von zwei oder mehreren Messvorrichtungen gelieferten Spannungen El zum Zwecke vom Fehlerausgleich oder von vergleichenden Messungen oder dergleichen untereinander ohne weiteres zu addieren oder subtrahieren, da sich die Krümmung der Abhängigkeitskurve B zwischen der Spannung El und dem Plattenabstand D1 von Punkt zu Punkt des Messbereiches ändert.
So zum Beispiel darf im Falle der Anordnung nach Fig. 3 das zu messende Werkstück 108 überhaupt keine Bewegungen parallel zu sich selbst und quer zu der Achse der Bohrung 8 ausführen, da die durch eine solche Verschiebung hervorgerufenen zeichenverschiedenen Spannungsänderungen an den Klemmen der zwei entgegengesetzten veränderbaren Plattenkondensatoren 1 untereinander nicht gleich gross sind und sich deshalb bei der Addition nicht aufheben, obzwar sich der Plattenabstand beider Kondensatoren 1 grössenmässig um denselben Wert verändert.
Diese Nachteile werden nun durch die in Fig. 7 dargestellte Schaltanordnung behoben. Bei dieser Anordnung ist der Wechselspannungsgenerator 13, an welchem der veränderbare Plattenkondensator 1 und der damit in Reihe geschaltete feste Vergleichskondensator 2 angeschlossen sind, so ausgebildet, dass er eine Wechselspannung veränderlicher Höhe erzeugen kann. Die durch den Neben- oder Streufluss der Kraftlinien erzeugte und mit dem veränderbaren Plattenkondensator 1 parallel geschaltete Kapazität C ist auch in Fig. 7 strichpunktiert eingezeichnet.
Die Klemmenspannung El des veränderbaren Plattenkondensators 1 und die Klemmenspannung E2 des festen Vergleichskondensators 2 werden einem Abschnitt 12 der Vorrichtung zugeführt, in welchem das Zeichen der Klemmenspannung El des veränderbaren Plattenkondensators 1 umgekehrt und ein Bruchteil 1 In dieser zeichenverkehrten Spannung El zu der Klemmenspannung E2 des festen Vergleichskondensators addiert wird, so dass dieser Abschnitt 12 der Vorrichtung eine Spannung E3 = E2 El liefert. Die Höhe der vom Wechselspannungsgenerator 13 erzeugten Spannung wird selbsttätig so abgeändert, dass die Spannungsdifferenz E3 = E2 -w Es während der Messung konstant bleibt.
Diese selbsttätige Än- derung der vom Wechselspannungsgenerator 13 erzeugten Spannungshöhe wird dadurch erreicht, dass der Wechselspannungsgenerator 13 durch eine Spannung E4 gesteuert ist, die in einem Differential-Verstärker 14 aus der verstärkten Differenz zwischen einer festen Vergleichsspannung E0 und der vom Abschnitt 12 der Vorrichtung gelieferten Spannungsdifferenz E3 = E2 El erhalten wird.
Es wird da fl durch ein geschlossener und sich selbst regulierender Stromkreis gebildet, in welchem die bei der Änderung des Plattenabstandes D1 des veränderbaren Plattenkondensators 1, das heisst bei den Schwankungen der zu messenden Grösse auftretende Schwankungstendenz der Spannungsdifferenz E3 sich selbst dadurch widersetzt, dass sie die Höhe der vom Wechselspannungsgenerator 13 erzeugten Spannung abändert.
Bei dieser Anordnung kann nun der von der Klemmenspannung E2 des festen Vergleichskondensators 2 abgezogene Bruchteil lin der Spannung El derart bestimmt werden, dass sich zwischen der an den Klemmen des veränderbaren Plattenkondensators 1 erhaltenen Spannung El und dem Plattenabstand D1 dieses Kondensators bzw. den Schwankungen der zu messenden Grösse eine lineare Abhängigkeit einstellt, wie sie durch die geradlinige Abhängigkeitskurve A in der Fig. 6 veranschaulicht ist.
Um eine solche geradlinige Abhängigkeit zu erhalten, muss der von der Spannung E2 abgezogene Bruchteil lin der Spannung El dem Verhältnis CíC2 zwischen der durch den Neben- oder Streufluss der Kraftlinien bedingten festen Kapazität C und der Kapazität C2 des festen Vergleichskonden- sators 2 entsprechen, das heisst es muss lj'n = C/C2 sein. Da die Kapazität C an sich unbekannt ist, wird der Spannungsbruchteil El versuchsweise bei der 72 Einstellung der Messvorrichtung festgelegt.
Die bei der Schaltanordnung nach Fig. 7 beschriebenen und in den einzelnen Abschnitten 12, 13, 14 der Vorrichtung erfolgenden elektrischen Vorgänge können mit den verschiedensten baulichen Mitteln erhalten werden. Es ist insbesondere möglich, ausschliesslich mit Wechselspannungen zu arbeiten oder diese mindestens teilweise und' an beliebigen Stellen des Stromkreises in gleichwertigen Gleichspannungen umzuwandeln.
Eine der zahlreichen praktischen Ausführungsformen der allgemeinen Schaltanordnung nach Fig. 7 ist beispielsweise in Fig. 8 angegeben. Bei dieser Ausführungsform weist der Abschnitt 12 der Vorrichtung zwei untereinander entgegengesetzte Gleichrichter 15 16 auf. Die an den Klemmen des veränderbaren Plattenkondensators 1 und des festen Vergleichskondensators 2 auftretenden Wechselspannungen El, E2 werden über zwei Kopplungskondensatoren 17, 18 an die Gleichrichter 15, 16 gelegt, welche in den Widerständen 19 bzw. 20, 21 zwei diesen Wechselspannungen verhältnisgleiche Gleichspannungen erzeugen.
Wird an der Stelle 23 der Grundwert der Wechselspannungen festgelegt, der zum Beispiel die Masse sein kann, und wird der Widerstand 24 vorgesehen, so stellen sich folgende Verhältnisse ein:
Da der Stromkreis in 25 für die Gleichspannungen offen ist, so entsteht in dem Abschnitt 23, 25 kein Abfall der Gleichspannungen. In dem Abschnitt 25, 26 tritt dagegen ein der Klemmenspannung E2 des festen Vergleichskondensators 2 verhältnisgleicher Spannungsabfall auf. In dem Abschnitt 26, 27 stellt sich ein der Klemmenspannung El des veränderbaren Plattenkondensators 1 verhältnisgleicher Spannungsabfall ein, der jedoch ein umgekehrtes Vorzeichen in bezug auf den Spannungsabfall zwischen 25 und 26 aufweist.
Zwischen 26 und 28 tritt ein Spannungsabfall ein, der einem Bruchteil des Spannungsabfalles zwischen 26 und 27, und zwar dem Verhältnis 1 In zwischen dem Widerstand 20 und dem Gesamtwiderstand 20, 21 entspricht. Man erhält also in 28 - in bezug auf den an der Stelle 23 festgelegten Spannungsgrundwert - eine Gleichspannung E3, die der Differenz E2-ll Es zwischen der Klemmenspan- nung E2 des festen Vergleichskondensators 2 und einem Bruchteil lin der Klemmenspannung El des veränderbaren Plattenkondensators 1 verhältnisgleich ist.
Diese Gleichspannung E3, die durch Abänderung der vom Wechselstromgenerator 13 erzeugten Spannungshöhe konstant gehalten werden soll, wird zusammen mit einer festen, zum Vergleich dienenden Gleichspannung E0 dem Differentialverstärker 14 zugeführt, der die Elektronenröhren 29, 30, 31 und 32 aufweist. Die Eingangsstufe dieses Verstärkers 14 besteht aus den Trioden 29 und 30, an deren Gittern die von 28 abgezogene Gleichspannung E3 und die feste Vergleichsspannung E0 angelegt sind. Die Röh- ren 29, 30 besitzen einen gemeinsamen hohen Kathodenwiderstand und wirken deshalb als Differentialverstärker der entsprechenden Gitterspannungen E3 und E0.
Die Röhre 31 (Triode oder Pentode) bildet die zweite Verstärkerstufe, während die Röhre 32 (Triode oder Pentode) die Endverstärkerstufe bildet und ihre Anodenspannung die für die Steuerung des Wechselspannungsgenerators benutzte Ausgangsspannung E4 des Differentialverstärkers 14 d'arstellt.
Der Wechselspannungsgenerator 13 besteht aus einem Schwingungskreis, bei welchem die Höhe der erzeugten Wechselspannung direkt von der Anodenspannung einer Triode 33 abhängt. Die Kathode der Triode 33 im Wechselspannungsgenerator 13 ist direkt mit der Anode der Röhre 32 in der Endverstärkerstufe des Differential-Verstärkers 14 verbunden.
Infolgedessen hängt die Höhe der vom Wechselspannungsgenerator 13 erzeugten Spannung direkt von der Ausgangsspannung E4 des Differential-Verstärkers 14 ab.
Der veränderbare Plattenkondensator 1 und der damit in Reihe geschaltete feste Vergleichskondensator 2 sind an dem Wechselspannungsgenerator 13 angeschlossen, wobei die Frequenz der vom Wechselspannungsgenerator erzeugten Spannung so hoch gewählt ist, dass die Reaktanz der Kondensatoren 1 und 2 sehr klein ausfällt und infolgedessen die parallel geschaltete Impedanz der Gleichrichter 15, 16 vernachlässigt werden kann.
Die ganze Anordnung ist so getroffen, dass - bei einer Abänderung des Abstandes Dl zwischen den Platten des veränderbaren Plattenkondensators 1 infolge der Schwankungen der zu messenden Grösse die Höhe der von dem Wechselspannungsgenerator erzeugten Spannung selbsttätig so abgeändert wird, dass üie Spannungsdifferenz E3 = E2 - El konstant n bleibt. Das Verhältnis 1 n zwischen dem Widerstand 20 und dem Gesamtwiderstand 20, 21 wird versuchsweise so bestimmt, dass es etwa dem Verhältnis C/C2 zwischen der durch den Neben- oder Streufluss der Kraftlinien bedingten festen Kapazität C und der Kapazität C2 des festen Vergleichskondensators 2 entspricht.
Dies hat eine lineare Abhängigkeit zwischen der Klemmenspannung El des veränderbaren Plattenkondensators 1 und dem Plattenabstand D1 dieses Kondensators, das heisst den Schwankungen der zu messenden Grösse zur Folge.
Die von der Vorrichtung gelieferte und dem Plattenabstand D1 des veränderbaren Plattenkondensators 1 bzw. den Schwankungen der zu messenden Grösse verhältnisgleiche Spannung kann als Wechselspannung von den Klemmen dieses Kondensators 1 (Fig. 7) oder als Gleichspannung zum Beispiel an der Stelle 27 des Vorrichtungsabschnittes 12 (Fig. 8) abgezogen und einem Messgerät 11, einer Regelvorrichtung oder dergleichen zugeführt werden.