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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.
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Eine
solche Messvorrichtung dient im Wesentlichen als linearer Positionssensor,
um eine Position eines beweglichen Teils relativ zu einem unbeweglichen
Teil zu bestimmen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Aufgabe wird durch eine kapazitive Weg-/Positionsmessvorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Um
eine maximale Gleichtaktunterdrückung zu
erzielen, können
die Messsignale der Teilkapazitäten
mittels der Auslese- und Auswerteeinrichtung als Differenzsignal
addierbar sein.
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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.
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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.
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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.
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Im
Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen teilweise gebrochenen
Längsschnitt
eines ersten Ausführungsbeispiels
einer kapazitiven Weg-/Positionsmessvorrichtung;
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2 einen Schnitt entlang
der Linie II-II aus 1;
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3 eine Außenansicht
eines Teils einer Weg-/Positionsmessvorrichtung mit Oberflächenstruktur,
und
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4 eine differentiell symmetrische
Auswertemöglichkeit
bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.