DE10028486C2

DE10028486C2 - Sensor für die Kantenposition eines elektrisch leitenden Materials

Info

Publication number: DE10028486C2
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: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2020-06-09
Also published as: DE10028486A1; US6448792B1; JP3620998B2; JP2001056201A

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

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

Es wurden verschiedene Methoden ins Auge gefasst und verwendet, um die Kantenposition eines Streifens aus elektrisch leitendem Material zu messen, wo bei diese Methoden photoelektrische, bildverarbeitende oder elektromagnetische Methoden umfassen. Diese Methoden wurden für spezielle Zwecke verwendet, wobei ihre Vorteile und Nachteile berücksichtigt wurden.

Zusätzlich zu diesen Methoden gibt es eine Methode in der Praxis, die die Ände rung in der Kapazität oder der davon abhängigen 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 Kapazität verursacht, was als Änderung in der Resonanzfrequenz in Verbindung mit der Abstimmspule 104 detektiert wird. Die Änderung in ihrem Resonanzstrom wird durch den Ver stärker 103 verstärkt, um die Größe X des Einschubs auszuwerten.

Beim zweiten Verfahren wird die Auswertung der Größe des Einschubs durch ein Signal, das mittels der Kapazität hergeleitet wird, wie eine Änderung der hochfre quenten Spannung mit dem Einschub eines elektrisch leitenden Materials in einen Kondensator, durchgeführt. Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform die ser Methode. Die hochfrequente Spannungsquelle 101 wird an die Sendeelektro de 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 definiert ist, so dass sich die Ausgabe der Funktion mit der eingeschobenen Position des elektrisch leitenden Streifens ändert. 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 zwei ten Methode, die nachfolgend als "elektrostatisches Modell mit drei Anschlüssen (elektrostatic three-terminal model" bezeichnet wird. Die erregende Signalquelle, die allgemein für das Modell des elektrostatischen Systems mit drei Anschlüssen verwendet wird, ist die Hochfrequenzspannung, die die vorliegende Erfindung auch verwendet. Diese Auswahl ergibt sich jedoch aus praktischen Erwägungen, wobei die vorliegende Erfindung theoretisch unter Verwendung einer Wechsel spannung mit jeder Frequenz größer 0 verwirklicht 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 Fluk tuationen 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 Dielelektrizitätskonstanten durch die Temperatur, die Feuchtigkeit oder den Druck in der Atmosphäre, eine Variation in der Entfernung zwischen den Sende- und Empfangselektroden oder eine elektrische 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 ver nachlässigbar oder sehr klein ist. Diese Situation ergibt natürlich eine beträchtli che Einschränkung bei der praktischen Verwendung, was zu einer Begrenzung des anwendbaren Bereichs und der Einrichtung führt.

Die DE 24 26 235 A1 offenbart einen kapazitiven Positionssensor mit zwei paral lelen ortsfesten Kondensatorplatten, die einander gegenüberstehen und mit einer Abschirmelektrode, die zwischen diesen beiden Kondensatorplatten verschieblich ist. Die Kondensatorplatte, die mit der Speisespannung versorgt wird, ist in zwei Teilelektroden von dreieckförmiger Gestalt unterteilt. Diese beiden Teilelektroden werden mit zwei Wechselspannungen gespeist, die zueinander gegenphasig sind.

In der US-Patentschrift 3,860,918 wird ein kapazitiver Messwandler beschrieben, der die relative Position zwischen zwei Teilen misst, indem er ein Signal erzeugt, das eine Funktion der Positionsänderung ist. Es werden drei voneinander ge trennte Elektroden verwendet, von denen eine erste Elektrode verschieblich ist und einer zweiten und dritten Elektroden gegenübersteht. Damit liegen alle orts festen Teile in einer Ebene und der bewegliche Teil stellt die Gegenelektrode für die Bildung eines Kondensators mit diesen anderen Elektroden dar. Die bewegli che Kondensatorplatte fungiert außerdem als Sendeelektrode und wird mit einer Wechselspannung gespeist.

Eine Messwandlervorrichtung zur Messung linearer Bewegungen ist in der WO 96/21159 A1 gezeigt. Die Vorrichtung umfasst mindestens zwei in einer Ebene angeordnete ortsfeste Kondensatorplatten und eine ihnen gegenüberliegende bewegliche Platte. Zwei der ortsfesten Platten haben dreieckförmige Gestalt und werden von Wechselspannungen mit entgegengesetzter Phase gespeist. Der Strom, der in einer der ortsfesten Platten induziert wird, dient als Messgröße für die Position der beweglichen Kondensatorplatte.

In der DE 22 18 824 A1 schließlich ist eine kapazitive Längenmessvorrichtung gezeigt, die mittels eines Differentialkondensators eine Länge digital misst und einen mobilen Kondensatorbelag aufweist, welcher durch die zu messende Größe gegenüber zwei festen Belägen parallel verschoben wird. Auf diese Weise erhält man ein lineares Verhältnis zwischen der Differentialkapazität des so gebildeten Differentialkondensators und der zu messenden Größe. Auf der einen Seite des Differentialkondensators liegt ein Empfängerbelag und auf der anderen Seite mindestens zwei Geberbeläge, wobei sich beide Seiten relativ zu einander paral lel verschieben lassen.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine verbesserte kapazitive Gebervorrichtung für die Detektion der Größe des Ein schubs eines elektrisch leitenden Streifens zwischen zwei ortsfesten Arbeitselekt roden anzugeben, die von den physikalischen Bedingungen der Umgebung weni ger abhängig ist.

Das wesentliche Konzept dieser Erfindung basiert auf der Annahme, dass die Fluktuation von α in Gleichung (2), das heißt, die Störung durch verschiedene Faktoren, sich gleichförmig im physikalischen Raum, der durch den Detektor be legt wird, ausbreitet. Für die Erläuterung einer Lösung der Schwierigkeiten wird zunächst das Grundprinzip des elektrostatischen 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 Empfangselektrode 3, die der Elektrode 2 gegenüber liegt, eingeschoben. Die hochfrequente Spannungs quelle 4 liefert die Wechselspannung an die Sendeelektrode 2, um den elektri schen Fluss zwischen den Elektroden 2 und 3 auszubilden. Die erste Näherung 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 elektri schen 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 Widerstandswert 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 Empfangselektrode 3 konzentriert. Fig. 3 zeigt die Art, in welcher der elektrische Fluss in zwei Grup pen divergiert, die sich jeweils im Widerstand 5 und dem zu messenden elektrisch leitenden Material 1 konzentrierten. Da die Dichte des elektrischen Flusses von der Stärke des elektrischen Feldes abhängt, unterscheidet sich die Dichte der Gruppe a des Flusses, 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 die sem 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 e lektrisch leitenden Materials 1. Die Beziehung zwischen ihnen ist in erste Nähe rung 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 Proportiona litätskoeffizienten darstellt. Die Länge der zwei Elektroden (die Distanz in Ein schubrichtung des elektrisch leitenden Materials 1) wird auf 1 normiert. Im übrigen besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Messfehler zu korrigie ren, die sich durch jeden der Störfaktoren ergeben, die die Dichte der Gruppe a des Flusses beeinträchtigen.

Es wurde vorläufig der Fall betrachtet, bei dem die angelegte Spannung oder der hierdurch erzeugte elektrische Fluss nur eine Frequenz aufweist. Es wird nun der Fall mehrerer Frequenzkomponenten im elektrischen Fluss betrachtet. Insbeson dere wenn die Frequenz zwei Komponenten f₁ und f₂ aufweist, wird die Zahl der elektrischen Flusskomponenten mit diesen Frequenzen folgendermaßen als line ar 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 Materials 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 Flussströme anzeigt, die man aus der Gleichung (3) für die Frequenz f₁ beziehungsweise aus der Gleichung (4) für die Frequenz f₂ erhält. Wie man in Fig. 3 sieht, ist der Strom, der durch den Widerstand 5 hindurch geht, proportio nal dem Integral des elektrischen Flusses, der die Empfangselektrode ohne eine Unterbrechung durch das elektrisch leitende Material 1 erreicht. Wenn der Be reich von x festgelegt wird zu 0 < x < 1, so führt die Integration von x bis 1 für den Strom zu folgendem Ausdruck:

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

I_Lf_2x = ∫EMf_2xdx = 0,5k(1 - x²) = 0,5k(1 - x)(1 + x)

wobei I_Lf_1x und I_Lf_2x die Ströme bezeichnen, die durch den Widerstand 5 fließen und die mit den elektrischen Flüssen erzeugt wurden, die jeweils den Frequenzen f₁ und f₂ entsprechen. 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 Bezie hung wurde theoretisch ermittelt, so dass sich um die Grenze bei x = 1 einige Schwierigkeiten ergeben können. Aus praktischer Sicht können dies jedoch über wunden werden, indem der maximale 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 leiten den Materials in die Elektroden zu bestimmen. Es sollte angemerkt werden, dass der Ausdruck k durch die Verwendung des Verhältnisses von Strömen von zwei Frequenzkomponenten eliminiert wird, was bedeutet dass in der ersten Näherung die verschiedenen Faktoren, die k beeinflussen, wie die Energie gebende Span nung, die räumliche Dielektrizitätskonstante, die Distanz zwischen den Sende- und Empfangselektroden und die Größe der Elektroden, die die Gesamtzahl der elektrischen Flussströme beeinflusst, keine Auswirkungen auf die Messung ha ben. Darüber hinaus werden Anwendungen, die durch die nicht lineare Beziehung in Fig. 5 betroffen sind, mittels einer Linearisierung ausführbar, wie beispiels weise mittels nichtlinearer Verstärker oder Verzeichnistabellen.

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

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

Die Differenz I_LD zwischen I_Lf_1x und I_Lf_2x lässt sich auch ableiten zu

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

Es wird nun ein Regelverstärker in das Empfängersystem eingeführt. Die Verstär kung 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).k = C kann die Stromdifferenz I_LD ge schrieben werden als:

I_LD = Cx

x = I_LD/C (6)

Die Einschubgröße x in die Elektroden kann direkt proportional zu der Ausgangs stromdifferenz I_LD in Bezug gesetzt werden. 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 diver giert, 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 Empfangs elektroden erzeugt werden, so ausgebildet, dass sie vom Ende der Elektrode mo noton zunehmen oder abnehmen, wie das in Fig. 4 gezeigt ist. Der Strom, der auf der Empfangselektrode in Erwiderung auf das Einschieben des elektrisch lei tenden Materials um die Strecke x vom einem Ende der Elektrode erzeugt wird, wird betriebsmäßig so behandelt, dass er eine stets stabile Messung von x unab hängig von verschiedenen Arten von Koeffizienten der Umgebung liefert.

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

Fig. 2 ist eine Basisschaltung in der Vorrichtung für die Messung eines einge schobenen Teils eines elektrisch leitenden Materials durch die Änderung im elekt rischen Fluss;

Fig. 3 zeigt die Grundoperation in einem Sensor eines elektrostatischen 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 zwischen der Kantenposi tion des elektrisch leitenden Materials und dem Ausgangssignal für die vorliegen de Erfindung darstellt;

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 Erfin dung;

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 Signals, das durch die Empfangselektrode empfangen wurde;

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm für das Verarbeiten des Signals, das durch die Empfangselektrode empfangen wurde, durch seine Umwandlung in ein Digitalsig nal;

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

Fig. 12 zeigt die Struktur einer weiteren Messwandlervorrichtung.

Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nach folgend unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 6 zeigt den Aufbau der Sendeelektrode für die erste Ausführungsform die ser 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 entgegenge setzten 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 konstant. Die Größe des Einschubs des elektrisch leitenden Materials 1 wird mit x bezeichnet, und die Länge der beiden Elektroden 2a und 2b wird in Einschubrichtung auf 1 festgesetzt.

Fig. 7 zeigt die Struktur für die erste Ausführungsform der Erfindung. Die Sen deelektrode 2 und die Empfangselektrode 2 weisen zueinander und verlaufen pa rallel zur Einschubrichtung des elektrisch leitenden Materials 1. Die Sendeelekt rode 2 besteht aus der ersten Elektrode 2a und der zweiten Elektrode 2b, die pa rallel zueinander angeordnet sind. Die Empfangselektrode 3 ist aus einem elekt risch leitenden Material hergestellt, auf dem das Spannungspotential an jedem Punkt virtuell konstant ist, so dass der durch den elektrisch Fluss verursachte Strom, der sich in der Empfangselektrode 3 konzentriert, proportional dem Integ ral des Flusses ist. Die Empfangselektrode 3 ist mit dem Widerstand 5 verbun den, von dem die Ausgangsspannung abgeleitet wird. Es sollte angemerkt wer den, dass der Aufbau der Empfangselektrode 3 für die folgenden Ausführungs formen 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 verbunden. Beide Spannungen E₁ und E₂ für die jeweiligen Wechselstromsignale S₁ und S₂ werden gleich E_t gesetzt.

Das Spannungspotential der erste Elektrode 2a ist gleich dem der zweiten Elekt rode 2b, und die Distanz zwischen der Empfangselektrode 3 und beiden Elektro den 2a und 2b ist konstant. Die Dichte des elektrischen Flusses ist somit an je dem Punkt auf den beiden Elektroden 2a und 2b und der Empfangselektrode 3 gleich. Andererseits ist die Anzahl der elektrischen 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 elektrisch lei tenden Materials 1 zum entgegengesetzten Ende zunimmt, 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 elektri schen Flussströmen durch die Signale mit dem Frequenzen f₁ und f₂ linear so wie die Verteilung, die in Fig. 4 gezeigt ist. Der Strom, der auf der Empfangselektro de 3 erzeugt wird, ist proportional der Gesamtzahl der elektrischen Flussströme, die sich auf der Empfangselektrode 3 konzentrieren. Somit kann in dieser Ausfüh rungsform die Gleichung (5) für die Bestimmung der Größe x des Einschubs des elektrisch leitenden Materials 1 zwischen die Elektrode 2 und 3 aus dem Strom, der auf der Empfangselektrode 3 erzeugt wird, verwendet werden.

Weiterhin macht eine Modifikation der geometrischen Form der ersten Elektrode 2a und/oder der zweiten Elektrode 2b in eine nichtlineare Form das Erzeugen ei ner nicht linearen Verteilung 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 Stromverhältnis, das aus der Gleichung (5) abgeleitet wird) zu kompensieren, weggelassen werden kann.

In Fig. 8 wird das Verfahren für die Linearisierung der Ausgangseigenschaften erläutert, um eine allgemeine Idee davon zu vermitteln. Die Skala auf der Achse 1 bezeichnet die normierte Position der Größe x des Einschubs des elektrisch lei tenden Materials 1 in die Elektroden. Die Skalen auf den anderen Achsen sind in Bezug auf diese Position bezeichnet. Auf der Achse 2 ist die normierte Verteilung der Breite der Sendeelektrode 2 angezeigt. Durch ihre Linearität ist die Skala die gleiche wie auf der Achse 1. Auf der Achse 3 ist das normierte Ausgangssignal ohne einer Korrektur (das Stromverhältnis, das aus Gleichung (5) abgeleitet wur de) gezeigt. Offensichtlich 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 Einschubs 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 erreicht werden können. Für die tatsächliche Gestaltung der Ausführungsform kann die Verwendung einer nicht linearen Gebietsverteilung für die Sendeelektrode ökonomisch im Vergleich zu einer Implementierung nichtline arer 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 umgewan delt. 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 erhält das endgültige Ausgangssignal durch die lineare Korrektur der Nichtlinea rität 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 Mate rials 1 in die Elektroden 2 und 3 zu bestimmen. Das Ausgangssignal wird dann, sofern notwendig, durch eine Linearisierung unter Verwendung der Verzeichnis tabelle 18 korrigiert, um das endgültige Ausgangssignal zu liefern.

Es wird nun die zweite Ausführungsform der Erfindung erläutert. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform, in der Vorrichtungen, wie sie in den Fig. 9 und 10 gezeigt sind, gemäß der Gleichung (5) arbeiten, um das Stromverhältnis für die Bestimmung der Größe x des Einschubs des elektrisch leitenden Materials 1 in die Elektroden zu bestimmen, wird die Größe x des Einschubs gemäß Glei chung (6) unter Verwendung der Summe und der Differenz der Ströme in der zweiten Ausführungsform ermittelt. Fig. 11 zeigt die Struktur der zweiten Ausfüh rungsform. 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 gleich gerichtet wurden, werden mit dem Subtrahierer 24 und dem Addierer 25 eine Subtraktion beziehungsweise Addition durchgeführt. Ein Steuersignalgenerator 26 bestimmt eine Verstärkung des Regelverstärkers 21, so dass das Ausgangssignal des Addierers 25 mit einem konstanten Wert C, der mit der Konstanteneinstell einheit 27 eingestellt wird, zusammenfällt. Das Ausgangssignal des Subtrahierers 24 wird schließlich für die Größe x des Einschubs des elektrisch leitenden Materi als 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 leitenden 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 bei spielsweise ein P-Modus, ein PI-Modus oder ein PID-Modus verwendet werden. Weiterhin wird die Rückkoppelsteuerung für diese Ausführungsform verwendet, während andere Steuerverfahren möglich sind. Tatsächlich ist, so lange die Summe der Detektionssignale für die Frequenzen f₁ und f₂ berechenbar ist, auch die Optimalwertsteuerung anwendbar, so dass die spätere Auswertung der Diffe renz der Summen zu einer Bestimmung der Größe x des Einschubs des elektrisch leitenden Materials 1 in die Elektroden führt.

Ein weiteres Beispiel einer Messwandlervorrichtung wird nun unter Bezug auf Fig. 12 erläutert. Im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Ausführungsform, in der die erregende Signalquelle die zwei Frequenzen f₁ und f₂ gleichzeitig verwen det, das heißt, während eines einzigen Zeitintervalls, verwendet die gezeigte Aus führungsform 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 er zeugen, mit dem Transferschalter 7 verbunden, der mit der Sendeelektrode 2 ver bunden ist. Einer der Eingabeanschlüsse des Schalters 7 ist mit der Signalquelle 4a verbunden, und der andere ist geerdet, wobei einer der Ausgangsanschlüsse mit der ersten Elektrode 2a und der zweite mit der zweiten Elektrode 2b verbun den wird. Durch das Schalten der Verbindung der ersten Elektrode 2a zur Signal quelle 4a und der zweiten Elektrode 2b zur Erde wird auch ihre umgekehrte Ver bindung erreicht. Die Empfangselektrode 3 wird nacheinander mit dem Verstärker 11, dem A/D-Wandler 16, dem Speicher 30 und dem digitalen Teiler 17 verbun den.

Mit dieser Anordnung erzeugt die Signalquelle 4a die Verteilung der Anzahl der elektrischen Flussströme zwischen der Sendeelektrode 2 und der Empfangselekt rode 3, wie das mit den durchgezogenen Linien (oder den unterbrochenen Linien) in Fig. 4 gezeigt ist. Die Daten, die mit dieser Operation gesammelt werden, werden in digitale Daten umgewandelt, um temporär im Speicher 30 gespeichert zu werden. Dann ergibt sich nach der Schaltoperation mit dem Transferschalter 7 die Verteilung der Anzahl der elektrischen Flussströme so, wie sie mit den unter brochenen Linien (oder vollen Linien) in Fig. 4 gezeigt ist. Die Daten von dieser Operation werden in digitale Daten umgewandelt, um zusammen mit den Daten, die im Speicher 30 gespeichert sind, durch den digitalen Teiler 17 verarbeitet zu werden, um die Größe x des Einschubs des elektrisch leitenden Materials 1 in die Elektroden 2 und 3 zu bestimmen. Diese Anordnung erfordert nur einen Satz ei ner Signalquelle, eines Bandpassfilters und eines A/D-Wandlers, was ökono misch ein besseres System ergibt. Dieses Verfahren eignet sich für eine Signal verarbeitung mit Computern, die aktuell gebräuchlich ist.

Wie oben klar erläutert wurde, gestattet die vorliegende Erfindung die Konstrukti on der Vorrichtung, die die Instabilität, die einer Kantensensorvorrichtung eines elektrostatischen Modells mit drei Anschlüssen für elektrisch leitendes Material eigen ist, das heißt, die Fluktuationen in der Messung durch typische Umge bungsfaktoren wie Erregersignalspannung, die Distanz zwischen den Elektroden oder die dielektrische Konstante der Atmosphäre, eliminieren kann. Obwohl als Beispiel in den Ausführungsformen eine Schaltung erläutert wurde, die zwei Fre quenzen für die Signalübertragungsschaltungen verwendet, können in der Praxis mehr als zwei Frequenzen verwendet werden.

Claims

1. Kapazitive Gebervorrichtung für das Erfassen der Position einer Kante eines e lektrisch leitfähigen Materials, wobei
die Vorrichtung eine Sendeelektrode (2), eine dazu parallele Empfangselektrode (3) und eine dazwischenliegende Abschirmelektrode (1), die durch das elektrisch leitfähige Material gebildet ist und im wesentlichen parallel zu der Sendeelektrode (2) und der Empfangselektrode (3) verschieblich ist, aufweist,
die Sendeelektrode (2) eine rechteckförmige Gesamtfläche aufweist, die in Form zweier rechtwinkliger Dreiecke, die in einer Ebene mit ihren Hypotenusen neben einander liegen, durch zwei elektrisch von einander isolierte Teilelektroden (2a, 2b) gebildet ist,
die Teilelektroden (2a, 2b) mit einer ersten (4a) und einer zweiten (4b) Speise wechselspannung gespeist werden und
eine Messschaltung das Signal an der Empfangselektrode (3) als Messsignal für die Position der Abschirmelektrode (1) auswertet,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Speisewechselspannung (4a) eine erste Frequenz (f₁) und die zweite Speisewechselspannung (4b) eine davon abweichende zweite Frequenz (f₂) aufweist, und
dass die Messschaltung ein erstes Bandpassfilter (12a), das auf die erste Fre quenz (f₁) abgestimmt ist, und ein dazu parallel geschaltetes zweites Bandpass filter (12b), das auf die zweite Frequenz (f₂) abgestimmt ist, aufweist.

2. Kapazitive Gebervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung das Verhältnis zwischen einem Strom I₁, der infolge der ersten Speisewechselspannung (4a) fließt, und einem Strom I₂, der infolge der zweiten Speisewechselspannung (4b) fließt, verwendet um die Position der Abschirm elektrode (1) zu bestimmen.

3. Kapazitive Gebervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung die Position der Abschirmelektrode (1) unter Verwendung der Differenz zwischen Strömen I_1v und I_2v, die man aus der Verstärkung der Ströme I₁ und I₂ durch eine gleiche Verstärkung erreicht, die so bestimmt wird, dass die Summe der Ströme I₁ und I₂ konstant gehalten wird, bestimmt.

4. Kapazitive Gebervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, dass eine Signalquelle während ausschließlich zugeordneter Zeitintervalle Wechselsignale S₁ und S₂ mit den Frequenzen f₁ und f₂ sendet, wo bei die kapazitive Gebervorrichtung für das Auswerten der Position der Abschirm elektrode (1) 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, erhalten werden.