DE10313327A1 - Kapazitive Wegmessvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Eine kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung weist wenigstens ein erstes Innenteil und ein Außenteil auf, zwischen welche ein erster Spalt gebildet ist. In dem Spalt ist ein erster Dielektrikumsträger beweglich gelagert.
Um spezifischen Anforderungen im Offshore- oder Tiefsee-Bereich genügen zu können und eine Messvorrichtung bereitzustellen, die einfach aufgebaut ist und eine präzise und insbesondere absolute Messung der Position einer entsprechenden Stelleinrichtung zulässt, ist im ersten Innenteil ein zweites Innenteil angeordnet und in einem zwischen diesen gebildeten zweiten Spalt ein zweiter Dielektrikumsträger beweglich gelagert, wobei erster und zweiter Dielektrikumsträger mit der relativ zum ersten und/oder zweiten Innenteil beweglichen Stelleinrichtung bewegungsverbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung mit einem wenigstens ersten Innenteil und einem Außenteil, zwischen welchen ein erster Spalt gebildet ist, in dem ein erster Dielektrikumsträger beweglich gelagert ist.
  • Eine solche Messvorrichtung dient im Wesentlichen als linearer Positionssensor, um eine Position eines beweglichen Teils relativ zu einem unbeweglichen Teil zu bestimmen.
  • Es sind unterschiedliche lineare Positionssensoren bekannt, die auf einer Vielzahl von physikalischen Effekten aufbauen. Beispiele für solche physikalischen Effekte sind elektrischer Widerstand, Magnetismus, Induktivität, Kapazität, Magnetostrektion, Ultraschall, Akustik, Mikrowellen, Lichtlaufzeit, Interferometrie, Wirbelstrom usw.. In diesem Zusammenhang gibt es beispielsweise rotations- translatorisch angekoppelte Drehzähler, Schrittmotoren, Resolver, Seilzüge oder andere Einrichtungen.
  • Alle diese verschiedenen Einrichtungen und Effekte haben spezifische Vor- und Nachteile und lassen sich nach Kosten, Auflösung, Genauigkeit, Baugröße, Integrierbarkeit, Zuverlässigkeit, Störfestigkeit, Energieverbrauch usw. differenzieren.
  • Soll ein entsprechender linearer Positionssensor beziehungsweise eine Weg-/Positionsmessvorrichtung in einem Bereich eingesetzt werden, wie beispielsweise im Offshore- oder Tiefsee-Bereich, sind mehrere Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen. Beispiele für diese Anforderungen sind der hohe Druck im Bereich von bis zu mehreren 100 bar, die erforderliche hohe Lebensdauer ohne Wartungsaufwand, die Schwingungsfestigkeit beziehungsweise Bruchsicherheit, die Linearität auch bei hohen elektromagnetischen Störfeldern, eine kleine Leistungsaufnahme, Korrosionsfestigkeit usw.
  • Die Messvorrichtung soll dabei für entsprechende Einrichtungen zur Gas- oder Erdölförderung verwendet werden. Beispiele für solche Einrichtungen sind Ventile, Drosseln, Stellorgane, Ausbruchsventilanordnungen (Blowout-Preventer, BOP) usw. Bei allen diesen Einrichtungen ist in der Regel ein Verstellorgan oder Aktuator vorgesehen, dessen Stellung und damit entsprechender Position in einfacher Weise genau zu bestimmen ist. Eine entsprechende Messvorrichtung muss dabei die vorangehend genannten Anforderungen im Offshore- oder Tiefsee-Bereich erfüllen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung bereitzustellen, die die vorangehend genannten Anforderungen erfüllt, einfach aufgebaut ist und eine präzise und insbesondere absolute Messung der Position der entsprechenden Stelleinrichtung zulässt.
  • Die Aufgabe wird durch eine kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Die beiden Dielektrikumsträger sind beweglich relativ zu erstem und zweitem Innenteil gelagert und mit der Stelleinrichtung bewegungsverbunden. Dabei sind die beiden Innenteile und die Dielektrikumsträger in dem Außenteil angeordnet. Dadurch besteht die Möglichkeit, eine Weg-/Positionsmessung sicher durchführen zu können. Durch die direkte Bewegungsverbindung mit der Stelleinrichtung, die beispielsweise zur Verstellung eines Ventilbauteils oder eines Drosselbauteils in einem Ventil oder in einer Drossel im Gebiet des Offshore- oder Tiefsee-Bereichs bei der Gas- und Ölgewinnung dienen kann, ergibt sich außerdem eine präzise Absolutwertmessung, die direkt zur Positionsbestimmung der entsprechenden Stelleinrichtung dient. Die Bauform der Wegmessvorrichtung ist der entsprechenden Vorrichtung beziehungsweise Stelleinrichtung angepasst und gut in dieser integrierbar. Durch die Anordnung innerhalb des Aussenteils ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung weiterhin vor der Umgebung geschützt, so dass diese insbesondere ölfest ist.
  • Durch die Verschiebung des ersten Dielektrikumsträgers in dem ersten Spalt zwischen Außenteil und erstem Innenteil ergibt sich ein erster Messwert zur Bestimmung des Weges/Position und durch die Bewegung des zweiten Dielektrikumsträgers in dem zweiten Spalt zwischen erstem und zweitem Innenteil ergibt sich ein weiterer Messwert zur Wege- beziehungsweise Positionsbestimmung. Die beiden Messwerte können gegebenenfalls zur redundanten Positionsbestimmung verwendet werden. Außerdem können die beiden Messwerte zur genaueren Bestimmung der Position beziehungsweise des zurückgelegten Weges dienen.
  • Im Prinzip ist es ausreichend, wenn Außenteil, erstes und zweites Innenteil sowie erster und zweiter Dielektrikumsträger streifenförmig, halbkreisförmig oder dergleichen ausgebildet sind, um entsprechende Kapazitäten zur kapazitiven Wegmessung zu bilden. Dabei können alle diese Teile in einem entsprechenden Gehäuse der eigentlichen Vorrichtung wie Ventil, Drossel, BOP oder dergleichen vorgesehen sein. Eine Vereinfachung der Vorrichtung kann allerdings darin gesehen werden, wenn zumindest erstes und zweites Innenteil rohrförmig sind. Diese rohrförmigen Innenteile sind positionsfest, während sich die entsprechenden Dielektrikumsträger in den Spalten relativ zu den Innenteilen bewegen. Entsprechend sind die Innenteile mit einem festen Teil der entsprechenden Vorrichtung verbunden. Ist die Stelleinrichtung beispielsweise ein Gewindetrieb aus Spindel und Umlaufmutter, bei dem die Spindel sich in Längsrichtung relativ zur Umlaufmutter bewegen kann, können die Innenteile mit der Umlaufmutter oder einer entsprechenden Halterung der Umlaufmutter verbunden sein. Entsprechend können die beiden Dielektrikumsträger mit der Spindel als beweglichem Teil verbunden sein. Sie ragen dann entsprechend in die rohrförmigen Innenteile hinein und selbst bei einer Drehung der Spindel besteht die Möglichkeit, dass die Innenteile sich zusammen mit der Spindel innerhalb der Spalte der rohrförmigen Innenteile drehen und entsprechend in den Spalten verschieblich gelagert sind.
  • Die Kapazität die sich durch Außenteil und erstes Innenteil mit erstem Dielektrikumsträger beziehungsweise erstem Innenteil und zweitem Innenteil mit zweitem Dielektrikumsträger ergibt, ändert sich entsprechend zur Positionierung der Dielektrikumsträger relativ zu den entsprechenden Teilen. Die Dielektrikumsträger können dabei gleich oder auch unterschiedlich weit in den entsprechenden Spalt eingreifen, je nach Positionierung der Stelleinrichtung. Durch den Eingriff ergibt sich die jeweilige Kapazität der auf diese Weise gebildeten Kondensatoren. Aus den beiden entsprechenden Messwerten lässt sich dann die Position der Stelleinrichtung und damit auch die Position des mit der Stelleinrichtung verbundenen Betätigungsteils von Ventil, Drossel, BOP oder dergleichen bestimmen.
  • Um allerdings eine genauere Positionsbestimmung in einfacher Weise zu ermöglichen, können erstes und/oder zweites Innenteil und/oder Außenteil eine in Bewegungsrichtung des Dielektrikumsträgers sich ändernde, kapazitiv wirksame Oberflächenstruktur aufweisen. Dadurch ist nicht nur durch den Absolutwert der Kapazität je nach Stellung der Dielektrikumsträger relativ zu den Teilen die Position bestimmbar, sondern auch noch durch die sich aus der Oberflächenstruktur ergebende, sich insbesondere positionsspezifisch verändernde Kapazität.
  • Um die Wegmessvorrichtung einfacher aufzubauen und einfacher handhaben oder austauschen zu können, kann die Stelleinrichtung das Außenteil umfassen. Dies bedeutet insbesondere, dass die erfindungsgemäße Wegmessvorrichtung Teil der Stelleinrichtung ist und in dieser integriert ist. Dadurch ist die Wegmessvorrichtung zusammen mit der Stelleinrichtung herstellbar, handhabbar und ein- oder ausbaubar. Die entsprechenden elektrischen Verbindungen zur Wegmessvorrichtung können in diesem Zusammenhang ebenfalls zusammen mit den elektrischen Verbindungen zur Versorgung der Stelleinrichtung ausgebildet und nach außen geführt sein.
  • Um alle empfindlichen Teile der Wegmessvorrichtung sicher im Außenteil unterzubringen, kann diese als Außenhülse ausgebildet sein, in der sowohl die Innenteile als auch die Dielektrikumsträger angeordnet sind.
  • Das Außenteil kann weiterhin als Innenseite eines Hohlraums ausgebildet sein, wobei dieser Hohlraum auch durch einen entsprechenden Hohlraum der Stelleinrichtung gebildet sein kann. Dies bedeutet, dass die Innenteile und die Dielektrikumsträger in der Stelleinrichtung, wie beispielsweise einer Spindel eines Gewindetriebs enthalten sind. Dabei kann das Außenteil elektrisch leitfähig sein oder durch eine innerhalb des Hohlraums angeordnete oder aufgebrachte leitfähige Schicht gebildet sein.
  • Erfindungsgemäß sind auf diese Weise durch die rohrförmigen Innenteile und das entsprechende Außenteil drei konzentrische Kapazitätsbeläge gebildet, die im Wesentli chen als Rohrkondensatoren wirken, deren Kapazitäten je nach Dielektrikum der Dielektrikumsträger und Luftspalt variieren.
  • Die bereits angesprochene Oberflächenstruktur der Innenteile oder auch des Außenteils kann dielektrisch unterschiedlich wirksame Bereiche aufweisen, welche insbesondere als in Längsrichtung des entsprechenden Teils alternierend angeordnete Oberflächenerhebungen und/oder Vertiefungen ausgebildet sind. Die verschiedenen Bereiche können ebenfalls durch entsprechende Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten gebildet sein.
  • Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann eine entsprechende Oberflächenstruktur beispielsweise nur bei einem der Kondensatoren vorhanden sein, während der andere Kondensator keine spezifische Oberflächenstruktur aufweist. Ist letzteres beispielsweise durch den Kondensator aus Außenteil und erstem Innenteil gegeben, ändert sich dessen Kapazität zwischen einer minimalen Kapazität im ausgefahrenen Zustand des ersten Dielektrikumsträgers und einer maximalen Kapazität im eingefahrenen Zustand des Dielektrikumsträgers, das heißt, wenn dieser so weit wie möglich im ersten Spalt eingeschoben ist. Die entsprechende positionsspezifische Oberflächenstruktur kann dann bei dem anderen Kondensator aus erstem und zweitem Innenteil sowie zweitem Dielektrikumsträger gebildet sein. Die Kapazität dieses zweiten Kondensators ändert sich entsprechend zum Einfahren des Dielektrikumsträgers durch die Oberflächenstruktur, so dass durch den äußeren Kondensator eine Art grober Positionsbestimmung und durch den inneren Kondensator eine Feinpositionsbestimmung erfolgen kann. Dadurch erhält man eine Weg- oder Positionsmessvorrichtung mit hoher Auflösung und hoher Genauigkeit.
  • Vorteilhafterweise können dabei die Bereiche mit entsprechenden Oberflächenstrukturen gleiche Höhen und/oder gleiche Breiten aufweisen, so dass sich n-Bereiche ergeben, bei denen je nach Position die Kapazität entsprechend ansteigt und wieder abfällt. In einfacher Weise lässt sich eine solche Oberflächenstruktur in den verschiedenen Bereichen dadurch realisieren, dass die Bereiche als im Wesentlichen umlaufende Ringe ausgebildet sind. Dies kann durch mechanische Bearbeitung oder auch Ätzen der entsprechenden Teile erfolgen. Ein Beispiel ist eine Wandstärkenreduktion des entspre chenden Teils mit zum Beispiel geringen Abständen und mit geringer Breite dieser Bereiche. Abstände und Breite der Bereiche können im Millimeterbereich sein. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass die Bereiche aufgalvanisiert werden oder die gesamte Oberflächenstruktur beziehungsweise Rohroberflächentextur durch Galvanisieren aufgebaut wird.
  • Die Positionsbestimmung kann noch dadurch verbessert werden, dass die Oberflächenstrukturen der entsprechenden Teile und des Dielektrikumsträger identisch ausgebildet sind. Das heißt, zumindest von dem zweiten Innenteil und dem zweiten Dielektrikumsträger sind die Oberflächenstrukturen in der Kontur identisch, so dass sich in einfacher Weise ein Ansteigen der Kapazität zwischen minimalem und maximalem Wert je nach Ausrichtung der Bereiche von zweitem Innenteil und zweitem Dielektrikumsträger ergibt und dadurch eine sehr gute Feinpositionsbestimmung möglich ist.
  • Um die entsprechenden Kapazitäten einfach auswerten zu können, sind erste und zweite Kapazitäten der entsprechend gebildeten Kondensatoren mittels einer Auslese- und Auswerteeinrichtung bestimmbar und zur Grob- und Feinpositionsbestimmung auswertbar. Die Auslese- und Auswerteeinrichtung kann Teil der Wegmessvorrichtung vor Ort sein, so dass bereits an eine entfernte Position entsprechende Positionswerte übermittelt werden. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass die Auslese- und Auswerteeinrichtung entfernt zur eigentlichen Wegmessvorrichtung angeordnet ist, so dass beispielsweise bei Einsatz im Offshore- oder Tiefsee-Bereich von einer Bohrplattform oder auch vom Festland her die Auswertung der entsprechenden Kapazitäten durch die dort angeordnete Auslese- und Auswerteeinrichtung erfolgt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine entsprechende Elektrifizierung bei den Vorrichtungen wie Ventil, Drossel, BOP oder dergleichen bereits vorhanden ist, die dann zur Fernauswertung der Position mittels der erfindungsgemäßen Wegmessvorrichtung ausnutzbar ist.
  • Erfindungsgemäß sind relativ kleine Kapazitäten und damit hohe Impedanzen von Vorteil, da dann hohe Frequenzen zur Weg- beziehungsweise Positionsbestimmung problemlos eingesetzt werden können. In diesem Zusammenhang sind erste und/oder zweite Kapazitäten im nF- Bereich pro Meter Baulänge. Bei solchen Kapazitäten lassen sich hohe Frequenzen von beispielsweise 1 kHz bis 10 MHz oder 5 kHz bis 5 MHz oder insbesondere vorteilhaft im Bereich von 50 kHz bis 1 MHz einsetzen.
  • Wird in diesem Zusammenhang insbesondere schmalbandiger oder auch passiver Bandpassfilter bei der Auslese- und Auswerteeinrichtung eingesetzt, so lässt sich weiterhin ein hoher Störabstand erreichen, da alle relevanten elektro-magnetischen Störungen mit ihrem Hauptfrequenzspektrum unterhalb der Frequenzen zur Betätigung der erfindungsgemäßen Wegmessvorrichtung liegen. Es können beispielsweise Messsignalspannungen bis zu 48 V oder auch mehr verwendet werden. In einem entsprechenden Bandpass-Durchlassbereich könnten dann Störsignale bis zu 100 mV toleriert werden und bei doppelter beziehungsweise halber Nutzfrequenz dürfen es auch 1000 mV oder mehr sein. Dies ist ein 100- bis 1000-fach größerer Wert verglichen mit den Anforderungen beziehungsweise maximaler Messsignalausgangsgrößen anderer Weg- beziehungsweise Positionsmessvorrichtungen, die in der Regel nur bei einigen mV liegen. Da die Gesamtauflösung von entsprechenden Messvorrichtungen hauptsächlich vom minimalen Störabstand bestimmt wird, sind beispielsweise bei 40 dB das heißt bei 48 V Eingangsspannung und 480 mV als kleinstem Schritt, Absolutweg- beziehungsweise Positionsauflösungen von 1 : 1000 möglich.
  • Es besteht weiterhin erfindungsgemäß die Möglichkeit, dass zumindest eine der obengenannten Kapazitäten in eine Anzahl insbesondere gleicher Teilkapazitäten unterteilt und diese einzeln im Wesentlichen gegenüberliegend symmetrisch verdrahtet und auch einzeln für sich mit der Auslese- und Auswerteeinrichtung verbunden sind. Dadurch können diese Teilkapazitäten beziehungsweise entsprechend gebildeten Segmente der verschiedenen Kondensatoren getrennt ausgewertet und zur Positionsbestimmung verwendet werden.
  • Ein vereinfachtes und genaues Auslesen der entsprechenden Teilkapazitäten kann sich dadurch ergeben, dass die Teilkapazitäten beziehungsweise entsprechenden Segmente von erstem und/oder zweitem Innenteil insbesondere elektrisch gegenphasig zum elektrisch leitenden Außenteil angesteuert sind.
  • Um eine maximale Gleichtaktunterdrückung zu erzielen, können die Messsignale der Teilkapazitäten mittels der Auslese- und Auswerteeinrichtung als Differenzsignal addierbar sein.
  • Eine solche Verwendung von Teilkapazitäten kann so erfolgen, dass der entsprechende Kondensator in zum Beispiel acht gleiche Teilkapazitäten/Segmente unterteilt ist, die alle möglichst gegenüberliegend symmetrisch (differentiell) verdrahtet sind. Die Verdrahtung wird symmetrisch zur Auswertung fortgeführt. Elektrisch werden dann die jeweiligen Segmentpaare gegenphasig zur „Masse", das heißt zum leitenden Außenteil, angesteuert. Die Messsignale werden dann als Differenzsignal addiert. Dabei werden dann alle Gleichtaktstörsignale und Einstrahlungen erheblich reduziert. Ein Gewinn an Störabstand von 60 dB (1000 : 1) und mehr ist möglich bei genügend symmetrischem Aufbau.
  • Erfindungsgemäß ergibt sich daher eine Weg- beziehungsweise Positionsmessvorrichtung, die auch in Motor- oder Leistungselektroniknähe störsicher und ohne aufwändige Abschirmmaßnahmen in Aktuator-Anwendungen wie Ventil, Drossel, BOP oder dergleichen an den mechanischen Aufbau dieser Anwendung einfach anpassbar und in diese integrierbar ist.
  • Es ist ebenfalls denkbar sowohl diesen vorangehend genannten symmetrischen, differentiellen Aufbau der entsprechenden Kondensatoren als auch den Aufbau zur Grob- und Feinpositionierung gleichzeitig zu verwenden. Dadurch erhöht sich zwar der mechanische und elektronische Aufwand, die Anzahl der Verbindungsleitungen bleibt aber klein. Durch die parallele Verwendung beider Auswertungsmöglichkeiten erhöht sich noch mal die Zuverlässigkeit, Einstrahlsicherheit und Auflösung um mindestens einen Faktor 10.
  • Im Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 einen teilweise gebrochenen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer kapazitiven Weg-/Positionsmessvorrichtung;
  • 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II aus 1;
  • 3 eine Außenansicht eines Teils einer Weg-/Positionsmessvorrichtung mit Oberflächenstruktur, und
  • 4 eine differentiell symmetrische Auswertemöglichkeit bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt einen teilweise gebrochenen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen kapazitiven Weg-/Positionsmessvorrichtung 1. Diese ist Teil einer Stelleinrichtung 9, die als Gewindetrieb 24 ausgebildet ist. Der Gewindetrieb 24 ist aus Spindel 25 und Umlaufmutter 26 gebildet. Die Spindel 25 ist in ihrer axial unverschieblich angeordneten Umlaufmutter 26 in Bewegungsrichtungen 10 verstellbar gelagert. Spindel 25 dient zur Verstellung eines Betätigungselements (Aktuators) einer Vorrichtung für die Gas- oder Erdölgewinnung, wobei eine solcher Vorrichtung ein Ventil, eine Drossel, ein BOP oder dergleichen sein kann.
  • Innerhalb der Spindel 25 ist ein erstes Innenteil 2 und ein zweites Innenteil 6 angeordnet, die beide rohrförmig ausgebildet sind. Die Innenteile 2, 6 sind fixiert, so dass sich die Spindel 25 in Bewegungsrichtungen 10 relativ zu diesen Innenteilen bewegen kann. Als Teil der Spindel 25 ist ein Außenteil 3 dargestellt, das durch eine Innenseite 13 der Spindel 25 gebildet ist. In dem von der Innenseite 13 umgebenden Hohlraum 14 innerhalb der Spindel 25 sind erstes und zweites Innenteil 2, 6 sowie erster und zweiter Dielektrikumsträger 5, 8 angeordnet. Die beiden Dielektrikumsträger 5, 8 sind mit der Spindel 25 bewegungsverbunden und damit ebenfalls in Bewegungsrichtungen 10 zusammen mit der Spindel 25 verstellbar. Die beiden Innenteile 2, 6 sind beispielsweise an einem nicht dargestellten Gehäuse oder anderen Teil der Stelleinrichtung, wie beispielsweise an der Umlaufmutter 26 oder einem anderen Teil befestigt.
  • Die Dielektrikumsträger 5, 8 können eine entsprechende dielektrische Beschichtung auf einer oder beiden ihrer Außenseiten aufweisen oder auch vollständig aus einem entsprechenden dielektrischen Material gebildet sein. Neben Innenteilen 2, 6 sind auch Dielektrikumsträger 5, 8 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel rohrförmig ausgebildet.
  • Zwischen Außenteil 3 und erstem Innenteil 2 ist ein Spalt 4 und zwischen erstem Innenteil 2 und zweitem Innenteil 6 ein zweiter Spalt 7 gebildet. Die entsprechenden Dielektrikumsträger 5, 8 sind im ersten Spalt 4 beziehungsweise zweitem Spalt 7 synchron mit Spindel 5 verschieblich angeordnet.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nach 1 erstrecken sich die beiden Dielektrikumsträger 5, 8 unterschiedlich weit in den ersten beziehungsweise zweiten Spalt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel erstrecken sich die entsprechenden Dielektrikumsträger gleich weit in die Spalte oder beispielsweise erstreckt sich der zweite Dielektrikumsträger 8 weniger weit in den entsprechenden Spalt als der erste Dielektrikumsträger 5.
  • Durch erstes Innenteil 2 und Außenteil 3 mit im ersten Spalte 4 angeordneten Dielektrikumsträger 5 ist ein erster Kondensator und durch erstes Innenteil 2 und zweites Innenteil 6 mit im zweiten Spalt 7 angeordneten zweiten Dielektrikumsträger 8 ist ein zweiter Kondensator gebildet. Die Kapazitäten der entsprechenden Kondensatoren variieren je nach Anordnung der entsprechenden Dielektrikumsträger 5, 8. Die verschiedenen Kapazitäten sind mittels einer Auslese- und Auswerteeinrichtung 20 feststellbar, wobei die entsprechenden Kapazitätswerte in eine entsprechende Position der Dielektrikumsträger 5, 8 und damit der Spindel 25 beziehungsweise in einen zurückgelegten Weg umrechenbar sind.
  • Eine entsprechende elektrische Verbindung 27 zu den beiden Kondensatoren ist nur prinzipiell in 1 dargestellt. Dabei ist zu beachten, dass die Auslese- und Auswerteeinrichtung 20 auch entfernt zur Wegmessvorrichtung 1, das heißt beispielsweise bei Anordnung der Wegmessvorrichtung 1 im Offshore- oder Tiefsee-Bereich auch am Festland angeordnet sein kann. Dadurch erfolgt im Wesentlichen eine Fernbestimmung des entsprechenden Weges beziehungsweise der entsprechenden Position.
  • In 2 ist ein Schnitt entlang der Linie II-II aus 1 dargestellt. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass das Außenteil 3 als Außenhülse 12 ausgebildet ist, die beispielsweise innerhalb eines entsprechenden Hohlraums 14 der Spindel 25 angeordnet ist. In 2 ist der rohrförmige Aufbau von Außenteil 3, erstem und zweitem Innenteil 2, 6 sowie erstem und zweitem Dielektrikumsträger 5, 8 sichtbar. Die entsprechenden Kapazitätswerte für die beiden Kondensatoren 3, 4, 5, 2 und 2, 7, 8, 6 ergeben sich je nach Breite der Spalte 4, 7 und dem Material des Dielektrikums der Dielektrizitätsträger 5, 8. Weiterhin ergibt sich der entsprechende Kapazitätswert auch je nach Anordnung der Dielektrizitätsträger 5, 8 in den entsprechenden Spalten 4, 7.
  • In 3 ist eine Außenansicht eines mit einer Oberflächenstruktur 11 versehenen zweiten Innenteils 6 dargestellt. Eine entsprechende Oberflächenstruktur kann analog auf einer entsprechend zugeordneten Oberfläche des zweiten Dielektrikumsträgers 8 ausgebildet sein. Die Oberflächenstruktur 11 nach 3 besteht aus verschiedenen Bereichen 18, die als umlaufende Ringe 19 ausgebildet sind. Die ringförmigen Bereiche 18 unterscheiden sich in ihrem Dielektrizitätswert. Eine entsprechende Unterscheidung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass bestimmte Bereiche 18 als Oberflächenerhebungen 15 und zwischen jeweils zwei benachbarten Oberflächenerhebungen 15 angeordnete Bereiche 18 als Oberflächenvertiefungen 16 ausgebildet sind. Diese Oberflächenvertiefungen können beispielsweise durch mechanische Bearbeitung oder Sprühätztechnik hergestellt sein. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass die Oberflächenerhebungen 15 ausgalvanisiert sind oder die gesamte Oberflächenstruktur direkt durch Galvanisieren aufgebaut ist. Andere Möglichkeiten zur Herstellung der entsprechenden Oberflächenstruktur 11 sind offensichtlich.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nach 3 weisen die Oberflächenerhebungen und Oberflächenvertiefungen jeweils gleiche Höhe und gleiche Breite auf. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, dass beispielsweise die Oberflächenvertiefungen mit unterschiedlicher Breite relativ zu den Oberflächenerhebungen oder auch Oberflächenerhebungen und Oberflächenvertiefungen mit unterschiedlichen Höhen und Breiten in Längsrichtung 17 des zweiten Innenteils 6 ausgebildet sind. Durch die entsprechende Oberflächenstruktur 11 von zweitem Innenteil 6 und durch eine mit dieser identischen Oberflächenstruktur 11 insbesondere des zweiten Dielektrikumsträgers 8 ergibt sich ein positionsspezifisches Signal, beziehungsweise eine entsprechende Signaländerung bei den Kapazitäten in der Auslese- und Auswerteeinrichtung 20, die eine Feinpositionierbestimmung ermöglicht. In diesem Zusammenhang können erstes Innenteil 2, erster Dielektrizätsträger 5 und Außenteil 3 ohne Oberflächenstruktur ausgebildet sein, so dass die dadurch gemessene Kapazität eine Grobpositionsbestimmung ermöglicht. Durch gleichzeitige Bestimmung sowohl der Grobpositionierung als auch Feinpositionierung ist dann mittels der Auslese- und Auswerteeinrchtung 20 eine sehr genaue Absolutpositionsbestimmung für Spindel 25 und damit für das entsprechende Betätigungselement der Vorrichtung, wie Ventil, Drossel, BOP (Blowout-Preventer) oder dergleichen, möglich.
  • In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen kapzitiven Weg-/Positionsmessvorrichtung dargestellt. Bei diesem sind die entsprechenden Kondensatoren, siehe die obigen Ausführungen, in eine Anzahl von Segmenten 23 mit zugehörigen Teilkapazitäten 22 unterteilt. Jedem dieser Segmente 23 beziehungsweise den Teilkapazitäten 22 ist eine Verdrahtung zugeordnet, die insbesondere gegenüberliegend symmetrisch bezüglich beispielsweise erstem Innenteil 2 und zweitem Innenteil 6 beziehungsweise Außenteil 3 und erstem Innenteil 2 erfolgt. Durch diese gegenüberliegend symmetrische Verdrahtung, die bis zur Auslese- und Auswerteeinrichtung 20 fortgeführt ist, werden die jeweiligen Segmentpaare der verschiedenen Teile des entsprechenden Kondensators gegenphasig zur Masse, das heißt relativ zum leitenden Außenteil 3 angesteuert. Diese Messsignale werden dann als Differenzsignal addiert. Dadurch ergibt sich eine hohe Gleichtaktunterdrückung und Einstrahlungen sind ebenfalls erheblich reduziert.
  • Der symmetrisch differentielle Aufbau nach 4 ist mit dem Aufbau nach 1 und 3 kombinierbar, so dass sich ohne allzu erhöhten mechanischen oder elektronischen Aufwand im Wesentlichen eine doppelte Auswertung von Position beziehungsweise Weg ergibt, die die Auflösung um mindestens einen Faktor 10 steigert.
  • Erfindungsgemäß ergibt sich somit eine kapazitive Weg- beziehungsweise Positionsmessvorrichtung, die alle Anforderungen im Offshore- oder Tiefsee-Bereich bei der Gas- oder Erdölgewinnung erfüllt und insbesondere einem hohen Druck standhalten kann, eine hohe Lebensdauer aufweist, eine nur geringe Leistungsaufnahme zeigt, korrosions- und ölfest sowie in entsprechende Einrichtungen integrierbar ist und eine präzise Absolutwertmessung von Weg- oder Position auch nach Monaten des Nichtbetriebs ermöglicht. Weiterhin ist der Aufwand zur Verkabelung und zur Druckdurchführung entsprechender Verkabelung gering und die Bauform kann gut an entsprechende Gegebenheiten bei Stelleinrichtung für die entsprechenden Aktuatoren angepasst werden.

Claims (20)

  1. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung (1) mit wenigstens einem ersten Innenteil (2) und einem Außenteil (3), zwischen welchen ein erster Spalt (4) gebildet ist, in dem ein erster Dielektrikumsträger (5) beweglich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Innenteil (2) ein zweites Innenteil (6) angeordnet und in einem zwischen diesen gebildeten zweiten Spalt (7) ein zweiter Dielektrikumsträger (8) beweglich gelagert ist, wobei erster und zweiter Dielektrikumsträger (5, 8) mit einem relativ zum ersten und/oder zweiten Innenteil (2, 6) beweglichen Stelleinrichtung (9) bewegungsverbunden sind.
  2. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest erstes und zweites Innenteil (2, 6) rohrförmig sind.
  3. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass erstes und/oder zweites Innenteil (2, 6) und/oder Außenteil (3) eine in Bewegungsrichtung (10) des Dielektrikumsträgers (5, 8) sich ändernde, kapazitiv wirksame Oberflächenstruktur (11) aufweisen.
  4. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (9) das Außenteil (3) umfasst.
  5. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenteil (3) als Außenhülse (12) ausgebildet ist.
  6. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenteil (3) als Innenseite (13) eines Hohlraums (14) ausgebildet ist.
  7. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenteil (3) elektrisch leitfähig ist.
  8. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (11) dielektrisch unterschiedlich wirksame Bereiche aufweist, welche insbesondere als in Längsrichtung (17) des entsprechenden Teils (2, 3, 6) alternierend angeordnete Oberflächenerhebungen (15) und -vertiefungen (16) ausgebildet sind.
  9. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (18) der Oberflächenstruktur (11) gleiche Höhe und/oder gleiche Breite aufweisen.
  10. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Bereich (18) im Wesentlichen als umlaufender Ring (19) ausgebildet ist.
  11. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächenstrukturen (11) der entsprechenden Teile (2, 3, 6) und des oder der Dielektrikumsträger (5, 8) identisch ausgebildet sind.
  12. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Kapazität durch Außenteil (3) und erstes Innenteil (2) mit erstem Dielektrikumsträger (5) und eine zweite Kapazität durch die Innenteile (2, 6) mit dem zweiten Dielektrikumsträger (8) gebildet ist.
  13. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Kapazität mittels einer Auslese- und Auswerteeinrichtung (20) bestimmbar und zur Grob- und Feinpositionsbestimmung auswertbar sind.
  14. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste und/oder zweite Kapazität im Bereich von nF pro Meter Baulänge sind.
  15. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslese- und Auswerteeinrichtung (20) wenigstens einen Bandpassfilter aufweist.
  16. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuerung der Kapazität mit einer Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 10 MHz, vorteilhafterweise im Bereich von 5 kHz bis 5 MHz und insbesondere vorteilhafterweise im Bereich von 50 kHz bis 1 MHz erfolgt.
  17. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kapazität in eine Anzahl gleicher Teilkapazitäten (22) unterteilt und diese einzeln, im Wesentlichen gegenüberliegend symmetrisch verdrahtet und für sich mit der Auslese- und Auswerteeinrichtung (20) verbunden sind.
  18. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkapazitäten (22) beziehungsweise entsprechende Segmente (23) von erstem und/oder zweitem Innenteil (2, 6), insbesondere elektrisch gegenphasig zum elektrisch leitenden Außenteil (3) angesteuert sind.
  19. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messsignale der Teilkapazitäten (22) mittels der Auslese- und Auswerteeinrichtung (20) als Differenzsignal addierbar sind.
  20. Kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Grob- und Feinpositionsbestimmung gleichzeitig zur Differenzsignalermmittlung durchführbar sind.
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