DE10028486A1

DE10028486A1 - Sensor für die Kantenposition eines elektrisch leitenden Materials

Info

Publication number: DE10028486A1
Application number: DE10028486A
Authority: DE
Inventors: Hirokazu Yoshida; Akira Shimotori
Original assignee: Nireco Corp
Current assignee: Nireco Corp
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 2000-06-08
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2020-06-09
Also published as: JP2001056201A; US6448792B1; JP3620998B2; DE10028486C2

Abstract

Der Kantenteil eines elektrisch leitenden Materials wird zwischen ein Paar von Sendeelektroden aus einer dreieckigen Platte, die flach in entgegengesetzten Richtungen zueinander angeordnet sind, und eine Empfangselektrode eingeschoben. Die erregende Signalquelle legt jeweils das Wechselspannungssignal S 1 mit der Frequenz f 1 an eine der Sendeelektroden und das Wechselspannungssignal S 2 mit der Frequenz f 2 an die andere Sendeelektrode. Die Größe des Einschubs der Streifenkante des elektrisch leitenden Materials wird durch das Verhältnis zwischem dem Strom I 1 mit der Frequenz f 1 und dem Strom I 2 mit der Frequenz f 2 , die auf der Empfangselektrode erzeugt werden, ausgewertet.

Description

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für die Detektion der Erstreckung einer Streifenkante eines über wiegenden elektrisch leitenden Materials, das zwischen Elek troden, die den Detektor bilden, eingeschoben wird.

Beschreibung des Standes der Technik

Es wurden verschiedene Methoden ins Auge gefaßt und verwen det, um die Kantenposition eines Streifens aus elektrisch leitendem Material zu messen, wobei diese Methoden photoelek trische, bildverarbeitende oder elektromagnetische Methoden umfassen. Diese Methoden wurden für spezielle Zwecke verwen det, wobei ihre Vorteile und Nachteile berücksichtigt wurden.

Zusätzlich zu diesen Methoden gibt es eine Methode in der Praxis, die die Änderung in der Kapazität oder der davon ab hängigen Variablen detektiert. Im Prinzip hat die Methode, die die Kapazität verwendet, zwei Variationen. Die erste Me thode verwendet die Änderung der Kapazität selbst, wie das in Fig. 1 gezeigt ist. Die hochfrequente Spannungsquelle 101 wird zwischen dem elektrisch leitenden Streifen 100 und der Elektrode 102 angelegt, so daß die Größe X des Einschubs des Streifens 100 in die Elektrode 102 eine Erhöhung der Kapazi tät verursacht, was als Änderung in der Resonanzfrequenz in Verbindung mit der Abstimmspule 104 detektiert wird. Die Än derung in ihrem Resonanzstrom wird durch den Verstärker 103 verstärkt, um die Größe X des Einschubs auszuwerten.

Beim zweiten Verfahren wird die Auswertung der Größe des Ein schubs durch ein Signal, das mittels der Kapazität hergelei tet wird, wie eine Änderung der hochfrequenten Spannung mit dem Einschub eines elektrisch leitenden Materials in einen Kondensator, durchgeführt. Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform dieser Methode. Die hochfrequente Spannungs quelle 101 wird an die Sendeelektrode 102a angeschlossen, so daß die Stromänderung, die sich aus dem Teil X des elektrisch leitenden Streifens 100, der zwischen die Sendeelektrode 102a und die Empfangselektrode 102b eingeschoben wird, ergibt, durch den Verstärker 103 verstärkt wird, um die Größe X des Einschubs festzustellen.

Die Vorrichtung der zweiten Methode hat einen Eingabeanschluß und einen Ausgabeanschluß, zwischen denen eine Funktion defi niert ist, so daß sich die Ausgabe der Funktion mit der ein geschobenen Position des elektrisch leitenden Streifens än dert. Die Funktion kann einfach folgendermaßen ausgedrückt werden:

Y = K.X (1)

wobei Y die Ausgangsgröße, wie die Spannung, ist, und K ein Koeffizient ist. X bezeichnet die Größe des Einschubs des Streifens zwischen den Elektroden.

Die im folgenden beschriebene vorliegende Erfindung gehört zum Typ der zweiten Methode, die nachfolgend als "elektrostatisches Modell mit drei Anschlüssen (elektrostatic three-terminal model" bezeichnet wird. Die erregende Signal quelle, die allgemein für das Modell des elektrostatischen Systems mit drei Anschlüssen verwendet wird, ist die Hochfre quenzsspannung, die die vorliegende Erfindung auch verwendet. Diese Auswahl ergibt sich jedoch aus praktischen Erwägungen, wobei die vorliegende Erfindung theoretisch unter Verwendung einer Wechselspannung mit jeder Frequenz größer 0 verwirk licht werden kann.

Wie die Gleichung (1) oben zeigt, ist es wünschenswert, daß die Funktion nur auf X, der Größe des Einschubs des Streifens zwischen die Elektroden, anspricht. Im tatsächlichen Betrieb verursachen jedoch verschiedene Faktoren einige Fluktuationen des Koeffizienten. Die folgende Gleichung (2) erhält man, wenn man die Gleichung (1) realitätsnäher macht:

Y = (1 + α).K.X (2)

wobei α die Fluktuation des Koeffizienten beispielsweise durch eine komplexe räumliche Änderung der Dieelektrizitäts konstanten durch die Temperatur, die Feuchtigkeit oder den Druck in der Atmosphäre, eine Variation in der Entfernung zwischen den Sende- und Empfangselektroden oder eine elektri sche Reflexion und/oder ein Leck in der Umgebung darstellt. Ungeachtet dieser Effekte wurde die Gleichung (2) schon unter der Annahme verwendet, daß die Variation von α vernachläs sigbar oder sehr klein ist. Diese Situation ergibt natürlich eine beträchtliche Einschränkung bei der praktischen Verwen dung, was zu einer Begrenzung des anwendbaren Bereichs und der Einrichtung führt.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die oben beschriebenen Schwierigkeiten zu überwinden und eine Meßvorrichtung für die Detektion der Größe des Einschubs ei nes elektrisch leitenden Streifens zwischen die Elektroden isoliert von den physikalischen Bedingungen der Umgebung zu liefern.

Das wesentliche Konzept dieser Erfindung basiert auf der An nahme, daß die Fluktuation von α in Gleichung (2), das heißt, die Störung durch verschiedene Faktoren, sich gleich förmig im physikalischen Raum, der durch den Detektor belegt wird, ausbreitet. Für die Erläuterung einer Lösung der Schwierigkeiten wird zunächst das Grundprinzip des elektro statischen Modells mit drei Anschlüssen unter Bezug auf Fig. 3 beschrieben. Ein elektrisch leitender Streifen 1 wird um die Strecke x zwischen die Sendeelektrode 2 und die Empfangs elektrode 3, die der Elektrode 2 gegenüber liegt, eingescho ben. Die hochfrequente Spannungsquelle 4 liefert die Wechsel spannung an die Sendeelektrode 2, um den elektrischen Fluß zwischen den Elektroden 2 und 3 auszubilden. Die erste Nähe rung wird nur hier in Betracht gezogen, so daß der Randeffekt der Kapazität und die Krümmung des elektrischen Flusses zur leichteren Erläuterung vernachlässigt werden.

Unter dieser Bedingung verteilt sich der elektrische Fluß gleichförmig über den gesamten Elektroden unter Ausbildung einer gleichförmigen Stärke des elektrischen Feldes. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, konzentriert sich der elektrische Fluß zum Strom, der in den Widerstand 5 fließt. Wenn die Impedanz im Teil, der die Kapazität ergibt, im Vergleich zum Wider standswert des Widerstands 5 genügend groß ist, so ist die Spannung, die im Widerstand 5 erzeugt wird, proportional der Gesamtgröße des elektrischen Flusses, der sich auf der Emp fangselektrode 3 konzentriert. Fig. 3 zeigt die Art, in wel cher der elektrische Fluß in zwei Gruppen divergiert, die sich jeweils im Widerstand 5 und dem zu messenden elektrisch leitenden Material 1 konzentrierten. Da die Dichte des elek trischen Flusses von der Stärke des elektrischen Feldes ab hängt, unterscheidet sich die Dichte der Gruppe a des Flus ses, der in die Empfangselektrode 3 fließt, von der Gruppe b des Flusses, der in das elektrisch leitende Material 1 fließt. Dieser Unterschied verursacht bei der Messung aber keine Schwierigkeiten, da die Messung in diesem System nur die Gruppe a des Flusses betrifft. Tatsächlich ist der Strom, der durch den Widerstand 5 fließt, abhängig von der Größe x des Einschubs des elektrisch leitenden Materials 1. Die Be ziehung zwischen ihnen ist in erste Näherung linear und läßt sich ausdrücken als

I_L = k (1-x)

wobei I_L der Strom ist, der durch den Widerstand 5 fließt und k einen Proportionalitätskoeffizienten darstellt. Die Länge der zwei Elektroden (die Distanz in Einschubrichtung des elektrisch leitenden Materials 1) wird auf 1 normiert. Im üb rigen besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Meßfehler zu korrigieren, die sich durch jeden der Stör faktoren ergeben, die die Dichte der Gruppe a des Flusses be einträchtigen.

Es wurde vorläufig der Fall betrachtet, bei dem die angelegte Spannung oder der hierdurch erzeugte elektrische Fluß nur ei ne Frequenz aufweist. Es wird nun der Fall mehrerer Frequenz komponenten im elektrischen Fluß betrachtet. Insbesondere wenn die Frequenz zwei Komponenten f₁ und f₂ aufweist, wird die Zahl der elektrischen Flußkomponenten mit diesen Frequen zen folgendermaßen als linear verteilt angesehen:

EMf_1x = x (3)

Emf_2x = 1 - x (4)

wobei Emf_1x und Emf_2x jeweils die Anzahl der elektrischen Flußströme bei x mit den Frequenzen f₁ beziehungsweise f₂ darstellt, x die Größe des Einschubs des Streifens zwischen die Elektroden bezeichnet, und die Länge der zwei Elektroden (Distanz in Einschubrichtung des elektrisch leitenden Materi als 1) auf 1 normiert ist.

Fig. 4 zeigt die Verteilung der Anzahl der elektrischen Flußströme durch die Pfeillänge an, wobei die durchgezogenen und gestrichelten Linien die Anzahl der elektrischen Fluß ströme anzeigt, die man aus der Gleichung (3) für die Fre quenz f₁ beziehungsweise aus der Gleichung (4) für die Fre quenz f₂ erhält. Wie man in Fig. 3 sieht, ist der Strom, der durch den Widerstand 5 hindurch geht, proportional dem Inte gral des elektrischen Flusses, der die Empfangselektrode ohne eine Unterbrechung durch das elektrisch leitende Material 1 erreicht. Wenn der Bereich von x festgelegt wird zu 0 < x < 1, so führt die Integration von x bis 1 für den Strom zu fol gendem Ausdruck:

I_Lf_1x = ∫EMf_1xdx = 0, 5 k (1 - x²) = 0,5 k (1 - x) (1 + x)
I_Lf_2x = ∫Emf_2xdx = 0, 5 k (1 - x²) = 0,5 k (1 - x) (1 + x)

wobei I_Lf_1x und I_Lf_2x die Ströme bezeichnen, die durch den Wi derstand 5 fließen und die mit den elektrischen Flüssen er zeugt wurden, die jeweils den Frequenzen f₁ und f₂ entspre chen. Das Verhältnis von I_Lf_2x zu I_Lf_1x ergibt sich somit fol gendermaßen:

I_Lf_2x/I_Lf_1x = (1 - x)/(1 + x) (5)

wobei dessen Wert kontinuierlich von 1 bis zum Grenzwert 0 variiert.

Fig. 5 zeigt die Beziehung dieses Verhältnisses zur Größe x des Einschubs in einem Schaubild, wobei das Stromverhältnis I_Lf_2x/I_Lf_1x auf der Ordinate und die normierte Größe x des Einschubs auf der Abszisse angegeben ist. Diese Beziehung wurde theoretisch ermittelt, so daß sich um die Grenze bei x = 1 einige Schwierigkeiten ergeben können. Aus praktischer Sicht können dies jedoch überwunden werden, indem der maxima le Wert von x auf beispielsweise kleiner als 0,8 beschränkt wird. Dieses Stromverhältnis entspricht eindeutig dem Wert von x, was zum Meßsystem führt, um die Größe x des Einschubs des elektrisch leitenden Materials in die Elektroden zu be stimmen. Es sollte angemerkt werden, daß der Ausdruck k durch die Verwendung des Verhältnisses von Strömen von zwei Fre quenzkomponenten eliminiert wird, was bedeutet, daß in der er sten Näherung die verschiedenen Faktoren, die k beeinflussen, wie die Energie gebende Spannung, die räumliche Dielektrizi tätskonstante, die Distanz zwischen den Sende- und Empfangs elektroden und die Größe der Elektroden, die die Gesamtzahl der elektrischen Flußströme beeinflußt, keine Auswirkungen auf die Messung haben. Darüberhinaus werden Anwendungen, die durch die nicht lineare Beziehung in Fig. 5 betroffen sind, mittels einer Linearisierung ausführbar, wie beispielsweise mittels nichtlinearer Verstärker oder Verzeichnistabellen.

Eine andere Betriebsform wird folgendermaßen durchgeführt. Die Summe I_LA erhält man durch Addition von I_Lf_1x und I_Lf_2x:

I_LA = 0,5 k (1 - x) {(1 + x) + (1 - x)} - k (1 - x)

Die Differenz I_LD zwischen I_Lf_1x und I_Lf_2x läßt sich auch ab leiten zu

I_LD = I_Lf_1x - I_Lf_2x = 0,5 k (1 - x) {(1 + x) - (1 - x)} = k (1 - x) x

Es wird nun ein Regelverstärker in das Empfängersystem einge führt. Die Verstärkung v für den Verstärker ergibt sich durch:

I_LA = Vk(1 - x)

deren Wert durch eine passende Einstellung immer bei irgend einem festen Wert C von v gehalten werden kann. Mit (1 - x) = C kann die Stromdifferenz I_LD geschrieben werden als:

I_LD = CX
x = I_LD/C (6)

Die Einschubgröße x in die Elektroden kann direkt proportio nal zu der Ausgangsstromdifferenz I_LD in Bezug gesetzt wer den. Diese Beziehung hängt wiederum nicht von k ab. Auch bei diesem Fall ist es wünschenswert, daß der maximale Wert von x niedriger als ein Wert, der in der tatsächlichen Gestaltung erlaubt ist, gehalten wird, beispielsweise kleiner als 0,8, da mit dem Grenzwert x = 1, v divergiert, um I_LA beim Wert C zu halten.

Wie oben erläutert wurde, wird bei der vorliegenden Erfindung die Verteilung der Anzahl von elektrischen Flußströmen, die zwischen den Sende- und Empfangselektroden erzeugt werden, so ausgebildet, daß sie vom Ende der Elektrode monoton zunehmen oder abnehmen, wie das in Fig. 4 gezeigt ist. Der Strom, der auf der Empfangselektrode in Erwiderung auf das Einschieben des elektrisch leitenden Materials um die Strecke x vom einem Ende der Elektrode erzeugt wird, wird betriebsmäßig so behan delt, daß er eine stets stabile Messung von x unabhängig von verschiedenen Arten von Koeffizienten der Umgebung liefert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Basisschaltung in der Vorrichtung für die Messung eines eingeschobenen Teils eines elektrisch leitenden Materials durch die Änderung einer Kapazität;

Fig. 2 ist eine Basisschaltung in der Vorrichtung für die Messung eines eingeschobenen Teils eines elektrisch leitenden Materials durch die Änderung im elektrischen Fluß;

Fig. 3 zeigt die Grundoperation in einem Sensor eines elek trostatischen Modells mit drei Anschlüssen;

Fig. 4 zeigt die Verteilung der Anzahl der elektrischen Flußströme, wie sie im wesentlichen charakteristisch für die vorliegende Erfindung sind;

Fig. 5 zeigt die theoretische Kurve, die die Beziehung zwi schen der Kantenposition des elektrisch leitenden Materials und dem Ausgangssignal für die vorliegende Erfindung dar stellt;

Fig. 6 zeigt den Aufbau der Sendeelektrode für die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 zeigt die Struktur für die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 erläutert die Anforderung für die Sendeelektrode, um die Nichtlinearität im Ausgangssignal (dem Stromverhältnis) zu kompensieren;

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm für das Verarbeiten des Si gnals, das durch die Empfangselektrode empfangen wurde;

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm für das Verarbeiten des Si gnals, das durch die Empfangselektrode empfangen wurde, durch seine Umwandlung in ein Digitalsignal;

Fig. 11 ist ein Blockdiagramm für die Detektion der Größe x des Einschubs durch die Summe und die Ströme, die mit dem Empfangselektrode erhalten werden; und

Fig. 12 zeigt die Struktur für die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung werden nachfolgend unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 6 zeigt den Aufbau der Sendeelektrode für die erste Ausführungsform dieser Erfindung. Die Sendeelektrode 2 ist aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt und aus zwei identischen dreieckigen Elektroden, der ersten Elektrode 2a und der zweiten Elektrode 2b, zusammengesetzt, wobei diese in entgegengesetzten Richtungen, die sich an der Hypotenuse gegenüber stehen, angeordnet sind. In jeder Position in der Einschubrichtung ist die Summe B der Breite b₁ der ersten Elektrode 2a und der Breite b₂ der zweiten Elektrode 2b kon stant. Die Größe des Einschubs des elektrisch leitenden Mate rials 1 wird mit x bezeichnet, und die Länge der beiden Elek troden 2a und 2b wird in Einschubrichtung auf 1 festgesetzt.

Fig. 7 zeigt die Struktur für die erste Ausführungsform der Erfindung. Die Sendeelektrode 2 und die Empfangselektrode 2 weisen zueinander und verlaufen parallel zur Einschubrichtung des elektrisch leitenden Materials 1. Die Sendeelektrode 2 besteht aus der ersten Elektrode 2a und der zweiten Elektrode 2b, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Empfangs elektrode 3 ist aus einem elektrisch leitenden Material her gestellt, auf dem das Spannungspotential an jedem Punkt vir tuell konstant ist, so daß der durch den elektrisch Fluß ver ursachte Strom, der sich in der Empfangselektrode 3 konzen triert, proportional dem Integral des Flusses ist. Die Emp fangselektrode 3 ist mit dem Widerstand 5 verbunden, von dem die Ausgangsspannung abgeleitet wird. Es sollte angemerkt werden, daß der Aufbau der Empfangselektrode 3 für die fol genden Ausführungsformen gleich ist. Die erste Quelle 4a, die das Wechselstromsignal S₁ mit der Frequenz f₁ erzeugt, wird mit der ersten Elektrode 2a verbunden, und in ähnlicher Weise ist die zweite Quelle 4b, die das Wechselstromsignal S₂ mit der Frequenz f₂ erzeugt, mit der zweiten Elektrode 2b verbun den. Beide Spannungen E₁ und E₂ für die jeweiligen Wechsel stromsignale S₁ und S₂ werden gleich E_t gesetzt.

Das Spannungspotential der erste Elektrode 2a ist gleich dem der zweiten Elektrode 2b, und die Distanz zwischen der Emp fangselektrode 3 und beiden Elektroden 2a und 2b ist kon stant. Die Dichte des elektrischen Flusses ist somit an jedem Punkt auf den beiden Elektroden 2a und 2b und der Empfangs elektrode 3 gleich. Andererseits ist die Anzahl der elektri schen Flußströme proportional der Fläche der Elektroden 2a und 2b, so daß die Zahl der elektrischen Flußströme auf der ersten Elektrode 2a linear vom Ende des eingeschobenen elek trisch leitenden Materials 1 zum entgegengesetzten Ende zu nimmt, während die Zahl der elektrischen Flußlinien auf der zweiten Elektrode 2b linear in umgekehrter Weise abnimmt. Durch diese Anordnung variiert die Verteilung der Anzahl von elektrischen Flußströmen durch die Signale mit dem Frequenzen f₁ und f₂ linear so wie die Verteilung, die in Fig. 4 ge zeigt ist. Der Strom, der auf der Empfangselektrode 3 erzeugt wird, ist proportional der Gesamtzahl der elektrischen Fluß ströme, die sich auf der Empfangselektrode 3 konzentrieren. Somit kann in dieser Ausführungsform die Gleichung (5) für die Bestimmung der Größe x des Einschubs des elektrisch lei tenden Materials 1 zwischen die Elektrode 2 und 3 aus dem Strom, der auf der Empfangselektrode 3 erzeugt wird, verwen det werden.

Weiterhin macht eine Modifikation der geometrischen Form der ersten Elektrode 2a und/oder der zweiten Elektrode 2b in eine nichtlineare Form das Erzeugen einer nicht linearen Vertei lung der Anzahl der elektrischen Flußströme möglich. Es ist praktisch, daß die Kompensation der Nichtlinearität, die oben erwähnt wurde, für die Signalverarbeitung danach durch das Ausbilden der Gebietsverteilungen auf den Elektroden 2a und 2b in einer Art, um die Ausgangseigenschaften (das Stromver hältnis, das aus der Gleichung (5) abgeleitet wird) zu kom pensieren, weggelassen werden kann.

In Fig. 8 wird das Verfahren für die Linearisierung der Aus gangseigenschaften erläutert, um eine allgemeine Idee davon zu vermitteln. Die Skala auf der Achse 1 bezeichnet die nor mierte Position der Größe x des Einschubs des elektrisch lei tenden Materials 1 in die Elektroden. Die Skalen auf den an deren Achsen sind in Bezug auf diese Position bezeichnet. Auf der Achse 2 ist die normierte Verteilung der Breite der Sen deelektrode 2 angezeigt. Durch ihre Linearität ist die Skala die gleiche wie auf der Achse 1. Auf der Achse 3 ist das nor mierte Ausgangssignal ohne einer Korrektur (das Stromverhält nis, das aus Gleichung (5) abgeleitet wurde) gezeigt. Offen sichtlich stellt das Verhältnis zwischen Achse 1 und Achse 3 dieselben Eigenschaften wie in Fig. 5 dar. Das normierte Ausgangssignal p hat dieselbe Beziehung zur Größe x des Ein schubs des elektrisch leitenden Materials 1 in die Elektroden wie Gleichung (5):

p = (1 - x)/(1 + x)

aus der die Position x für ein beliebiges p durch folgende Gleichung ausgedrückt wird

x = (1 - p)/(1 + p)

Es folgt daraus, daß die linearen Ausgangseigenschaften wie auf der Achse 4 schließlich mit der Gebietsverteilung auf der Achse 5 statt der linearen Verteilung auf der Achse 2 er reicht werden können. Für die tatsächliche Gestaltung der Ausführungsform kann die Verwendung einer nicht linearen Ge bietsverteilung für die Sendeelektrode ökonomisch im Ver gleich zu einer Implementierung nichtlinearer Kompensatoren verwendet werden.

Fig. 9 zeigt den Schaltungsaufbau für die Verarbeitung des Stroms, den man an der Empfangselektrode 3 erhält. Der Strom, der sich auf der Empfangselektrode 3 konzentriert, wird mit dem Verstärker 11 in eine praktikable Spannung umgewandelt. Danach wird die Spannung in das Bandpaßfilter 12a, das auf die Frequenz f₁ abgestimmt ist, und das Bandpaßfilter 12b, das auf die Frequenz f₂ abgestimmt ist, eingegeben, um in die f₁ und f₂ Komponenten aufgeteilt zu werden. Diese Komponenten werden durch die Gleichrichter 13a beziehungsweise 13b in Gleichstromsignale umgewandelt, wobei diese an den analogen Teiler 14 geliefert werden, um die Größe x des Einschubs des elektrisch- leitenden Materials 1 in die Elektroden 2 und 3 gemäß dem Verfahren der Gleichung (5) zu bestimmen. Man er hält das endgültige Ausgangssignal durch die lineare Korrek tur der Nichtlinearität in Fig. 5 durch den nicht linearen Kompensierer 15, wenn diese Behandlung notwendig sein sollte.

Fig. 10 zeigt eine Vorrichtung für das Verarbeiten des Stroms, der durch die Empfangselektrode 3 empfangen wurde, unter Verwendung digitaler Elemente. Die Zusammensetzung der Schaltung ist bis hin zu den Gleichrichtern 13a und 13b die gleiche wie in Fig. 9, wobei auf diese A/D-Wandler 16a und 16b für die Umwandlung in digitale Daten folgen, wobei diese Daten zu einem digitalen Teiler 17 geführt werden, um die Größe x des Einschubs des elektrisch leitenden Materials 1 in die Elektroden 2 und 3 zu bestimmen. Das Ausgangssignal wird dann, sofern notwendig, durch eine Linearisierung unter Ver wendung der Verzeichnistabelle 18 korrigiert, um das endgül tige Ausgangssignal zu liefern.

Es wird nun die zweite Ausführungsform der Erfindung erläu tert. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform, in der Vor richtungen, wie sie in den Fig. 9 und 10 gezeigt sind, ge mäß der Gleichung (5) arbeiten, um das Stromverhältnis für die Bestimmung der Größe x des Einschubs des elektrisch lei tenden Materials 1 in die Elektroden zu bestimmen, wird die Größe x des Einschubs gemäß Gleichung (6) unter Verwendung der Summe und der Differenz der Ströme in der zweiten Ausfüh rungsform ermittelt. Fig. 11 zeigt die Struktur der zweiten Ausführungsform. Der Strom, der auf dem Empfangselektrode 3 erzeugt wird, wird mit dem Regelverstärker 21 verstärkt, und dann werden die Komponenten für die Frequenzen f₁ und f₂ mit den Bandpaßfiltern 22a beziehungsweise 22b getrennt. Nachdem die Komponenten mit den jeweiligen Gleichrichten 23a und 23b gleichgerichtet wurden, werden mit dem Subtrahierer 24 und dem Addierer 25 eine Subtraktion beziehungsweise Addition durchgeführt. Ein Steuersignalgenerator 26 bestimmt eine Ver stärkung des Regelverstärkers 21, so daß das Ausgangssignal des Addierers 25 mit einem konstanten Wert C, der mit der Konstanteneinstelleinheit 27 eingestellt wird, zusammenfällt. Das Ausgangssignal des Subtrahierers 24 wird schließlich für die Größe x des Einschubs des elektrisch leitenden Materials 1 in die Elektroden ausgegeben.

Das Ausgangssignal des Addierers 25 wird mit dem festen Wert C verglichen, und die Verstärkung des Regelverstärkers 21 wird durch das Signal, basierend auf der Differenz zwischen ihnen, geregelt, so daß das Ausgangssignal des Addierers 25 immer auf einem konstanten Wert gehalten wird. Unter diesen Umständen ist das Ausgangssignal des Subtrahierers 24 direkt proportional der Größe x des Einschubs des elektrisch leiten den Materials 1 in die Elektroden, wie Gleichung (6) zeigt. Das Ausgangssignal des Steuersignalgenerators 26 wird auf der Basis der Differenz zwischen dem Ausgangssignal des Addierers 25 und dem festen Wert C erzeugt. Nichtsdestotrotz ist das Verfahren willkürlich, und es kann beispielsweise ein P-Mo dus, ein PI-Modus oder ein PID-Modus verwendet werden. Wei terhin wird die Rückkoppelsteuerung für diese Ausführungsform verwendet, während andere Steuerverfahren möglich sind. Tat sächlich ist, so lange die Summe der Detektionssignale für die Frequenzen f₁ und f₂ berechenbar ist, auch die Optimal wertsteuerung anwendbar, so daß die spätere Auswertung der Differenz der Summen zu einer Bestimmung der Größe x des Ein schubs des elektrisch leitenden Materials 1 in die Elektroden führt.

Die dritte Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezug auf Fig. 12 erläutert. Im Gegensatz zur ersten Ausführungs form, in der die erregende Signalquelle die zwei Frequenzen f₁ und f₂ gleichzeitig verwendet, das heißt, während eines einzigen Zeitintervalls, verwendet die dritte Ausführungsform ein Zeitschachtelverfahren, so daß eine einzige Frequenz in einem Paar von Zeitintervallen verwendet wird.

In Fig. 12 ist die Signalquelle 4a, um das Signal S₁ mit der Frequenz f₁ zu erzeugen, mit dem Transferschalter 7 verbun den, der mit der Sendeelektrode 2 verbunden ist. Einer der Eingabeanschlüsse des Schalters 7 ist mit der Signalquelle 4a verbunden, und der andere ist geerdet, wobei einer der Aus gangsanschlüsse mit der ersten Elektrode 2a und der zweite mit der zweiten Elektrode 2b verbunden wird. Durch das Schal ten der Verbindung der ersten Elektrode 2a zur Signalquelle 4a und der zweiten Elektrode 2b zur Erde wird auch ihre umge kehrte Verbindung erreicht. Die Empfangselektrode 3 wird nacheinander mit dem Verstärker 11, dem A/D-Wandler 16, dem Speicher 30 und dem digitalen Teiler 17 verbunden.

Mit dieser Anordnung erzeugt die Signalquelle 4a die Vertei lung der Anzahl der elektrischen Flußströme zwischen der Sen deelektrode 2 und der Empfangselektrode 3, wie das mit den durchgezogenen Linien (oder den unterbrochenen Linien) in Fig. 4 gezeigt ist. Die Daten, die mit dieser Operation gesam melt werden, werden in digitale Daten umgewandelt, um tempo rär im Speicher 30 gespeichert zu werden. Dann ergibt sich nach der Schaltoperation mit dem Transferschalter 7 die Ver teilung der Anzahl der elektrischen Flußströme so, wie sie mit den unterbrochenen Linien (oder vollen Linien) in Fig. 4 gezeigt ist. Die Daten von dieser Operation werden in digita le Daten umgewandelt, um zusammen mit den Daten, die im Spei cher 30 gespeichert sind, durch den digitalen Teiler 17 ver arbeitet zu werden, um die Größe x des Einschubs des elek trisch leitenden Materials 1 in die Elektroden 2 und 3 zu be stimmen. Diese Ausführungsform erfordert nur einen Satz einer Signalquelle, eines Bandpaßfilters und eines A/D-Wandlers, was ökonomisch ein besseres System ergibt. Dieses Verfahren eignet sich auch für eine Signalverarbeitung mit Computern, die aktuell gebräuchlich ist.

Wie oben klar erläutert wurde, gestattet die vorliegende Er findung die Konstruktion der Vorrichtung, die die Instabili tät, die einer Kantensensorvorrichtung eines elektrostati schen Modells mit drei Anschlüssen für elektrisch leitendes Material eigen ist, das heißt, die Fluktuationen in der Mes sung durch typische Umgebungsfaktoren wie Erregersignalspan nung, die Distanz zwischen den Elektroden oder die dielektri sche Konstante der Atmosphäre, eliminieren kann. Obwohl als Beispiel in den Ausführungsformen eine Schaltung erläutert wurde, die zwei Frequenzen für die Signalübertragungsschal tungen verwendet, können in der Praxis mehr als zwei Frequen zen verwendet werden.

Claims

1. Kantensensorvorrichtung, umfassend:

a) ein Paar Sendeelektroden, die aus elektrisch leiten dem Material hergestellt sind, wobei jede Elektrode eine na hezu identische Form einer dreieckigen Platte aufweist, wobei die Elektroden parallel zur Bewegungsrichtung des Kantenteils eines elektrisch leitenden Streifens und in entgegengesetzten Richtungen zueinander angeordnet sind;
b) eine Empfangselektrode, die gegenüber den Sendeelek troden angeordnet ist, wobei der elektrisch leitende Streifen zwischen den Sendeelektroden und der Empfangselektrode einge schoben ist;
c) eine Signalquelle, die jeweils ein Wechselstromsignal S₁ mit einer Frequenz f₁ an eine der Sendeelektroden und ein Wechselstromsignal S₂ mit einer Frequenz f₂ an die andere der Sendeelektroden anlegt;
d) eine Sensorvorrichtung für das Auswerten der Größe des Einschubs des elektrisch leitenden Streifens zwischen die Sendeelektroden und die Empfangselektrode aus dem Strom I₁ mit der Frequenz f₁ und dem Strom I₂ mit der Frequenz f₂, die auf der Empfangselektrode erzeugt werden.

2. Kantensensorvorrichtung nach Anspruch 1, ausgerüstet mit der Sensorvorrichtung, die das Verhältnis zwischen den Strö men I₁ und I₂ verwendet, um die Größe des Einschubs des elek trisch leitenden Streifens auszuwerten.

3. Kantensensorvorrichtung nach Anspruch 1, ausgerüstet mit der Sensorvorrichtung für die Auswertung der Größe des Ein schubs des elektrisch leitenden Streifens unter Verwendung der Differenz zwischen den Strömen I_1v und I_2v, die man aus der Verstärkung der Ströme I₁ und I₂ durch eine gleiche Ver stärkung erreicht, die so bestimmt wird, daß die Summe der Ströme I₁ und I₂ konstant gehalten wird.

4. Kantensensorvorrichtung nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Signalquelle während ausschließlich zu geordneter Zeitintervalle die Wechselsignale S₁ und S₂ mit den Frequenzen f₁ und f₂, die gleich oder verschieden sind, sendet, und wobei die Sensorvorrichtung für das Auswerten der Größe des Einschubs des elektrisch leitenden Streifens eine betriebsmäßige Handhabung der Daten von beiden Strömen I₁ und I₂ in einer digitalen Form derart vornimmt, daß die Daten vom Strom I₁, die dem Signal entsprechen, das zuerst gesendet wurde, gespeichert werden, bis die Daten vom Strom I₂, die dem Signal entsprechen, das nachfolgend gesendet wurde, er halten werden.