DD136897B1

DD136897B1 - Kapazitiver messfuehler

Info

Publication number: DD136897B1
Application number: DD20613878A
Authority: DD
Inventors: Eberhard Riessland; Wolfgang Wagner; Guenter Opitz
Original assignee: Elektromat Veb
Priority date: 1978-06-20
Filing date: 1978-06-20
Publication date: 1981-03-25
Also published as: BG32528A1; FR2429411B3; CS218893B1; DD136897A1; DE2920491A1; GB2023847A; JPS63141406U; SU1015243A1; HU182731B; CH639754A5; SE436151B; JPS5536793A; FR2429411A1; US4311959A; GB2023847B; SE7905398L; DE2920491C2

Description

Die Erfindung betriff einen kapazitiven Meßfühler für das Messen von Abständen zv/ischen dem kapazitiven Meßfühler und einem leitfähigen Material. Dabei werden mit dem kapazitiven Meßfühler sowohl stetige Dickenänderungen als auch die Lage der Begrenzungskanten des leitfähigen Materials erkannt.

Charakteristik der bekannten Lösungen

Die DE-AS 24 48 205 beschreibt eine kapazitive Sonde zum Füllstandsmesser, bei der eine Sondenelektrode in dem zu messenden Raum hineinragt. Durch das Füllgut wird das Feld der Sondenelektrode gegenüber dem Zustand ohne Füllgut deformiert. Dadurch ändern sich die Kapazitätsverhältnisse und werden in einer Auswerteschaltung angezeigt. Diese kapazitive Sonde eignet sich nicht zum Messen kleiner Hege zwischen der Sondenelektrode auf Grund ungenügender Abschirmung.

Eine spezielle Abschirmeinrichtung für Mehrspurmagnetköpfe bei der Signalaufzeichnung und/oder Widergabe beschreibt das DD-WP 129 940. Dabei besteht die Abschirmung aus einer Kombination von elektrisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Schichten, die die Abschirmplatten bilden und einer allen Magnetsystemen gemeinsamen Feld-

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deformationsplatte. Die Abschirmplatten befinden sich dabei zwischen den einzelnen Magnetsystemen und erhöhen die Übersprechdämpfung.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen kapazitiven Meßfühler zu schaffen, der geeignet ist, kleinste Kapazitäten zwischen dem Meßfühler und einem leitfähigen Material aufzunehmen und zu erkennen. Dabei soll der Meßfühler konstruktiv einfach aufgebaut sein und eine kleine Meßfläche besitzen,

Darlegung des V/esens der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Meßfühler, bei dem mittels einer, aus der konstruktiven Gestaltung hervorgehenden speziellen Abschirmung die störenden Kapazitäten gegen Masse und störende Kopplungen nahezu vollständig unterdrückt werden, wodurch die Messung kleinster Kapazitäten ermöglicht wird,

Merkmale der Erfindung

Der erfindungsgemäße kapazitive Meßfühler besteht aus einem geerdeten Schirm in Form eines oben geschlossenen Hohlkörpers, Innerhalb des Schirmes befindet sich eine erste Elektrode, die unten mit dem Schirm abschließt. Oberhalb der ersten ist eine zweite Elektrode angeordnet. In einer Öffnung der ersten Elektrode und gegebenenfalls in einer Vertiefung der zweiten Elektrode befindet sich ein Koppelstift mit einer Meßfläche, wobei' die Meßfläche mit dem Schirm und der ersten Elektrode abschließt. Der Zwischenraum zwischen dem Schirm, den Elektroden und dem Koppelstift ist mit.einem Dielektrikum ausgefüllt. Dabei ist die Wandstärke zwischen den einzelnen elektrisch

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leitenden Teilen gleich groß· Innerhalb des Schirmes und oberhalb der zweiten Elektrode befindet sich ein Verstärkerelement.

Die erste Elektrode ist dabei mit dem Eingang durch eine erste Bohrung des Schirmes, die zweite Elektrode ist mit dem Verstärkereingang und der Verstärkerausgang durch eine zweite Bohrung des Schirmes mit dem Ausgang des kapazitiven Meßfühlers verbunden»

Es erweist sich als günstig, wenn das Verstärkerelement ein Feldeffekttransistor ist, dessen G-ate den Verstärkereingang und dessen Drain den Verstärkerausgang bildet und dessen Source mit dem Schirm verbunden ist. Der Schirm weist zwischen den Elektroden einen Entkoppelvorsprung auf. Dadurch ergibt sich eine Verringerung der störenden Kopplung zwischen den Elektroden.

Es erweist sich als günstig, wenn die Meßfläche etwas aus der durch den Schirm und der ersten Elektrode gebildeten Fläche herausragt. Bei einer Berührung der Meßflache des allseitig isolierten Koppelstiftes mit dem leitfähigen Material werden dadurch Kurzschlüsse zwischen den anderen leitfähigen Teilen vermieden.

Für verschiedene Meßverfahren kann die Form des Meßfühlers speziell ausgebildet sein. Soll vorzugsweise der Abstand gemessen werden, ist es günstig, wenn der Querschnitt des Schirmes rund ist. Für die Lagebestimmung der Begrenzungskanten des leitfähigen Materials ist ein rechteckiger Querschnitt des Schirmes günstig.

Durch Veränderung des Abstandes verändern sich die Kapazitäten zwischen dem Schrim, der ersten Elektrode und dem Koppelstift. Beim Anlegen einer Wechselspannung an den Eingang erscheint am Ausgang eine Ausgangswechselspannung, die von dem Abstand abhängt.

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Pig. 1 die Meßanordnung des kapazitiven Meßfühlers Pig· 2 den Schnitt A-A durch die Meßanordnung Pig. 3 das Ersatzschaltbild Pig. 4» Pig. 5 weitere Ausführungsvarianten.

Der. kapazitive Meßfühler 1 dient zuni Messen des Abstandes d.. eines leitfähigen Materials 2 oder auch zur LagebeStimmung der Begrenzungskanten des leitfähigen Materials 2. Pig. 1 zeigt die Meßanordnung unter Verwendung des kapazi~ tiven Meßfühlers 1.

Gemäß Pig. 2 besteht der kapazitive Meßfühler 1 aus einem geerdeten Schirm 3 in Form eines oben geschlossenen Hohlkörpers. Innerhalb des Schirmes 3 befindet sich eine erste Elektrode 4. Oberhalb der Elektrode 4 iat eines zweite Elektrode 5 angeordnet. In einer Öffnung der Elektrode 4 und in einer Vertiefung der Elektrode 5 befindet sich ein Koppelstift 6 mit einer Meßfläche 7. Die Meßfläche 7 ragt dabei etwas aus der durch die untere Begrenzung des Schirmes 3 und der Elektrode 4 gebildeten Fläche heraus, um Kurzschlüsse zwischen den leitfähigen Teilen beim Aufsetzen auf das leitfähige Material 2 zu vermeiden. Der Zwischenraum zwischen dem Schirm 3» den Elektroden 4; und dem Koppelstift 6 ist dabei mit einem Dielektrikum 8 niedriger Dielektrizitätskonstante ausgefüllt, wodurch diese Teile untereinander galvanisch isoliert sind. Die Wandstärke des Dielektrikums 8 zwischen den einzelnen Teilen ist dabei günstigerweise gleich groß. Innerhalb des Schirmes 3 und oberhalb der Elektrode 5 befindet sich ein Verstärkerelement 9. Der Schirm 3 weist zwischen den Elektroden 4; 5 einen Entkoppelvorsprung 10 auf, wodurch die störende Kopplung zwischen den Elektroden verringert wird.

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Die Elektrode 4 ist durch eine erste Bohrung 11 des Schirmes 3 mit dem Eingang E, die zweite Elektrode 5 mit dem Verstärkereingang und der Verstärkerausgang durch eine zweite Bohrung 12 des Schirmes 3 verbunden. Die Wirkungsweise des kapazitiven Meßfühlers läßt sich am besten mit dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 3 erklären. Es bestehen folgende Kapazitäten:

Die Kapazität C, . zwischen der Elektrode 4 und dem Koppelstift 6, die Kapazität C,₂ zwischen dem Koppelstift 6 und der Elektrode 5 und die Meßkapazität C zwischen dem Koppelstift 6 und dem auf Massepotentiäl liegenden leitfähigen Material 2.

Weiterhin bestehen parasitärefKapazitäten C .. zwischen dem Koppelstift 6 und dem ebenfalls auf Massepotential liegenden Schirm 3 und C₂ zwischen den Elektroden 4; 5, die durch die konstruktive Gestaltung klein gehalten v/erden. Weitere Kapazitäten bestehen zwischen dem Schirm 3 und der Elektrode 4 mit der Kapazität C^₁ sowie dem Schirm 3 und der Elektrode 5 unter Einschluß der parallel liegenden Eingangskapazität des Verstärkerelementes 9 mit der Kapa*- zität C„p. Die Kapazität C,,.. hat aber keine Verfälschung des Meßergebnisses zur Folge, sondern ihr störender Einfluß macht sich lediglich in einer Belastung der Versorgungswechselspannung U bemerkbar. Die Kapazität C^₁ ist deshalb in Fig. 3 nur angedeutet.

Wird an den Eingang E die Versorgungswechselspannung U gelegt, so teilt sich die Spannung über den Kapazitäten des kapazitiven Meßfühlers 1 auf.

Durch den Entkopplungsvorsprung 10 wird die parasitäre Kapazität C _? vernachlässigbar klein. Damit ergibt sich für die Ausgangsspannung U in Abhängigkeit von dem zu

messenden Abstand d..

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Ea iat ein weiterea Ziel, durch die spezielle konstruktive Gestaltung die parasitäre Kapazität C ₁ klein zu halten, weil der Einfluß von G .. den eigentlichen Meßeffekt unterdrückt.

Die veränderliche Kapazität iat C , die durch den veränderlichen Abstand der Meßfläche 7 des Koppelstiftea 6 gegeben ist.

Claims

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1. Kapazitiver Meßfühler zum Messen kleiner Abstände zwischen einer Meßfläche und der Oberfläche eines leitfähigen Materials mit einer elektrisch leitenden Hülse und zv/ei Elektroden, die voneinander durch ein Dielektrikum getrennt sind, sowie einem Verstärkerelement, gekennzeichnet dadurch, daß sich in einer Öffnung der ersten Elektrode (4) und in einer Vertiefung der oberhalb der ersten Elektrode (4) angeordneten zweiten Elektrode (5) ein Koppelstift (6) mit einer Meßfläche (7) befindet, daß die Meßfläche (7) mit dem Schirm (3) und der Elektrode (4) abschließt, daß der Koppelstift (6) durch das Dielektrikum (Θ) von den Elektroden (4; 5) getrennt ist und das Verstärkerelement (9),vorzugsweise ein Feldeffekttransistor, innerhalb des Schirmes (3) angeordnet ist.

2. Kapazitiver Meßfühler nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Schirm (3) zwischen den Elektroden (4; 5) einen Entkoppelvorsprung (10) aufweist.

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Erfindungsanspruch:

3· Kapazitiver Meßfühler nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Meßfläche (7) aus der durch den Schirm (3) und der Elektrode (4) gebildeten Fläche herausragt.

Hierzu..^. Seiten Zeichnungen