DE112005001890B4

DE112005001890B4 - System und Verfahren zum verbesserten Messen rheologischer Eigenschaften

Info

Publication number: DE112005001890B4
Application number: DE112005001890.3T
Authority: DE
Inventors: John Berting; Ron Garritano
Original assignee: Waters Investments Ltd
Current assignee: Waters Investments Ltd
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: DE112005001890T5; FR2874085A1; US7135874B2; GB2431008A; US20060027738A1; GB2431008B; WO2006020406A2; FR2874085B1; WO2006020406A3; GB0701498D0

Abstract

Kapazitiver Drehwinkelsensor zum Messen einer Bewegung in einem Drehrheometer, mit: einer Anregungsanordnung (110), die eine Vielzahl von ersten Emittern (112) und eine Vielzahl von zweiten Emittern (114) hat, wobei die Vielzahl der ersten Emitter ein erstes sinusartiges Signal aussendet und die Vielzahl der zweiten Emitter ein zweites sinusartiges Signal aussendet, wobei das zweite sinusartige Signal gegenüber dem ersten sinusartigen Signal phasenverschoben ist; einer Meßanordnung (130), die der Anregungsanordnung (110) gegenüberstehend angeordnet ist und eine Vielzahl von ersten Detektoren (132) und eine Vielzahl von zweiten Detektoren (134) hat, wobei die Vielzahl der ersten Detektoren eine erste Spannung des ersten und zweiten sinusartigen Signals abfühlt und die Vielzahl der zweiten Detektoren eine zweite Spannung des ersten und des zweiten sinusartigen Signals abfühlt; und einer aktiven Rotoranordnung (120), die so ausgelegt ist, daß sie mechanisch mit einer Antriebswelle des Drehrheometers gekoppelt ist und zwischen der Anregungsanordnung (110) und der Meßanordnung (130) drehbewegt wird, wobei die aktive Rotoranordnung (120) eine Vielzahl von ersten bewegbaren Elementen und eine Vielzahl von zweiten bewegbaren Elementen hat, wobei die Vielzahl der ersten bewegbaren Elemente von der ersten Spannung getrieben wird und die Vielzahl der zweiten bewegbaren Elemente von der zweiten Spannung getrieben wird, wobei die Bewegung der aktiven Rotoranordnung (120) die erste und zweite Spannung variiert und die aktive Rotoranordnung (120) die Bewegung der Antriebswelle des Drehrheometers aus der ersten und der zweiten Spannung bestimmt.

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Systeme und Verfahren für die kapazitive Messung, wobei ein Rheometer verwendet wird. Genauer betreffen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Systeme und Verfahren zum Messen der rheologischen Eigenschaften einer Probe auf einem Drehrheometer, wobei eine verringerte Empfindlichkeit auf Bewegungen gezeigt wird, die nicht in der Richtung oder Achse der gewünschten Messung liegen.
Aus der EP 0 107 593 B1 ist eine Vorrichtung zum Messen der rheologischen Eigenschaften von halbfesten Körpern bekannt, mit einem Behälter für den zu untersuchenden Körper, einem Meßkopf, der in diesem in den Körper eingetaucht ist, mit einem Drehantrieb für den Meßkopf mittels einer Achse, mit einem Antrieb, mit dem der Achse eine sinusförmige oder pseudo-sinusförmige Drehbewegung aufgezwungen wird, und mit einem Winkelaufnehmer, der an der Achse befestigt ist. Weiterhin ist ein Momentenaufnehmer an der Achse befestigt, wobei beide Aufnehmer mit einer Datenverarbeitungsanlage verbunden sind, beispielsweise mit einem Signalverarbeiter, an den ein Mikroprozessor angeschlossen ist. Der Momentenaufnehmer ist als Metallstück mit mehreren Ausnehmungen und mit wenigstens zwei Gewebestücken ausgebildet, auf die Spannungsaufnehmer aufgeklebt sind. Das Metallstück ist auf der Höhe der Gewebestücke verformbar. Die bekannte Vorrichtung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß die Spannungsaufnehmer als Ohm'sche oder kapazitive Aufnehmer ausgebildet sind, die in einer Brückenschaltung miteinander verbunden sind, so daß jeder Brückenzweig die Reihenschaltung der Aufnehmer einschließt, die demselben Ort auf den Zweigen des Aufnehmers entsprechen. Ein gattungsgemäßes Miniaturrheometer ist auch aus der US 6,655,194 B2 bekannt.
Hintergrund der Erfindung
Drehrheometer, Viskometer oder Viskosimeter werden typischerweise verwendet, um rheologische Eigenschaften von Materialien zu messen, so wie ihre Viskosität, Nachgiebigkeit und ihr Modul, indem eine Meßgeometrie in einem Material gedreht, abgelenkt oder in Schwingungen versetzt wird, entweder durch Aufbringen eines Drehmomentes und Messen der sich ergebenden Geschwindigkeit oder Verlagerung oder durch Aufbringen einer Geschwindigkeit oder Verlagerung und Messen des sich ergebenden Drehmomentes. Das Drehmoment und die Geschwindigkeit/Verlagerung werden zusammen mit Faktoren der Meßgeometrie verwendet, um die Eigenschaften des Materials zu bestimmen.
Wie hierin verwendet, umfaßt der Ausdruck „Rheometer” Rheometer, Viskometer, Viskosimeter und ähnliche Instrumente, die verwendet werden, die Eigenschaften von Fluid oder ähnlichen Materialien (siehe Liste hiernach) zu messen. Die Viskosität ist eine innere Eigenschaft eines Fluides, welches Widerstand gegen Strömung bietet (d. h. sie betrifft die Dicke einer Flüssigkeit).
Der Ausdruck „Material”, wie er hierin verwendet wird, umfaßt Flüssigkeiten, Öle, Dispersionen, Suspensionen, Emulsionen, Klebmittel, biologische Fluide, Polymere, Gele, Pasten, Schlämme, Schmelzen, Harze, Pulver oder Mischungen aus diesen. Solche Materialien werden hierin auch als „Fluide” bezeichnet. Genauere Beispiele für Materialien umfassen Asphalt, Schokolade, Blut, Bohrschlamm, Schmiermittel, Öle, Fette, Photoresiste, flüssige Zemente, Elastomere, Thermoplaste, Duroplaste und Beschichtungen.
Eine übliche Verwendung für ein Rheometer ist es, Fluideigenschaften eines Materials zu bestimmen. Eine Technik besteht darin, ein Drehmoment aufzubringen, das von einem Motor in Anwesenheit des Materials entwickelt wird, und die sich ergebende Geschwindigkeit oder Verlagerung zu messen. Das Drehmoment und die Geschwindigkeit/Verlagerung werden zusammen mit Faktoren der Meßgeometrie verwendet, um die Eigenschaften des Materials zu bestimmen. Somit erfordert das Rheometer einen Ortssensor, der extrem genau, linear, stabil und konsistent ist. Der Ortssensor muß über einen sehr engen Bewegungsbereich mit einer hohen Auflösung des Ortes arbeiten.
Unglücklicherweise verwenden gegenwärtige Drehrheometer Sensoren, die an Verstärkungsfehlern leiden. Genauer bewirken mechanische Bewegungen, die nicht in der Achse der Hauptmessung stattfinden, parasitäre Kapazitäten, die fehlerhaft als eine Änderung der Achse der primären Messung berichtet werden. Somit ist es wünschenswert, kapazitive Sensoren mit kleinem Winkel oder kleiner Verlagerung zu erzeugen, die stark verringerte Empfindlichkeit auf typische Quellen für einen mechanischen Positionierfehler haben.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Vorrichtung zum Messen der Bewegung eines Rheometers gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt drei Komponenten: eine Anregungsanordnung, eine aktive Rotoranordnung und eine Meßanordnung. Die aktive Rotoranordnung ist zwischen der Meß- und der Anregungsanordnung angeordnet und mechanisch an eine Antriebswelle des Rheometers gekoppelt. Die Position eines Elementes der aktiven Rotoranordnung wird relativ zu der Meß- und der Anregungsanordnung gemessen. Insbesondere fühlt die Meßanordnung ein Signal von der Anregungsanordnung ab, welches beeinflußt wird, wenn sich die aktive Rotoranordnung mit der Antriebswelle bewegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Empfindlichkeit erhöht werden, indem eine Vielzahl von Elementen in jeder Anordnung der Vorrichtung verwendet wird. Zum Beispiel kann die Anregungsanordnung eine Vielzahl erster Emitter und eine Vielzahl zweiter Emitter haben. Jeder erste Emitter sendet ein erstes sinusartiges Signal aus, und jeder zweite Emitter sendet ein zweites sinusartiges Signal aus, wobei das zweite sinusartige Signal zu dem ersten sinusartigen Signal phasenverschoben ist.
In ähnlicher Weise hat die Meßanordnung eine Vielzahl erster Detektoren und eine Vielzahl zweiter Detektoren. Jeder erste Detektor fühlt eine erste Spannung des ersten sinusartigen Signals und des zweiten sinusartigen Signals ab, und jeder zweite Detektor fühlt eine zweite Spannung des ersten sinusartigen Signals und des zweiten sinusartigen Signals ab. Ebenso hat die aktive Rotoranordnung eine Vielzahl bewegbarer Elektroden, wobei die Bewegung der Vielzahl bewegbarer Elektroden die erste Spannung und die zweite Spannung ändert, die von der Meßanordnung abgefühlt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet jede Anordnung (z. B. die Anregungsanordnung, die Meßanordnung und die aktive Rotor/Linearanordnung) fünfzig Lamellen, was die sich ergebende Empfindlichkeit um einen Faktor fünfundzwanzig vergrößert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die aktive Rotoranordnung durch die Spannungen getrieben, welche von der Meßanordnung abgefühlt werden. Das Treiben der aktiven Anordnung mit den Spannungen der Meßanordnung bewirkt das Zurückweisen unerwünschter Signale, die nicht in der Meßrichtung sind. Somit führt für die Winkelmessung der Bewegung der Antriebswelle die axiale Bewegung eines aktiven Rotors nicht zu einer Amplitudenänderung bei dem differentiellen Ausgangssignal. Die seitliche Verschiebung eines aktiven Rotors simuliert keine Winkeländerung aufgrund der Vielzahl der kapazitiven Elemente und der sich ergebenden Löschung der Kapazitätsänderungen aufgrund von Mittelungseffekten.
Mehrere kapazitive Elemente des Sensors, die sich zu einem einzigen Verbund kombinieren, liefern erhöhte Empfindlichkeit. In ähnlicher Weise führt das Treiben der aktiven Anordnung mit Spannungen von der Meßanordnung zu verringerter Empfindlichkeit gegenüber anderen mechanischen Bewegungen, die nicht in der Richtung der Messung liegen. Obwohl die Erfindung für eine Anwendung aus der Rheologie beschrieben ist, kann die Erfindung für irgendeine Anwendung verwendet werden, bei der kleine Winkel oder kleine Entfernungen gemessen werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht eines kleinen Bereiches einer Meßvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A, 2B und 2C sind schematische Schaubilder einer beispielhaften Anregungsanordnung, einer beispielhaften aktiven Rotoranordnung bzw. einer beispielhaften Meßanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein schematisches Schaubild einer kapazitiven Brücke, die von den Elementen der Meßvorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wird.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Rheometer gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Meßvorrichtung mit einer Anregungsanordnung, einer aktiven Rotoranordnung und einer Meßanordnung. Die aktive Rotoranordnung ist zwischen der Meß- und der Anregungsanordnung angeordnet und mechanisch mit einer sich drehenden Welle des Rheometers gekoppelt, so daß sie sich mit der Welle dreht. Die Position der aktiven Rotoranordnung wird relativ zu der Meß- und der Anregungsanordnung gemessen. Insbesondere fühlt die Meßanordnung ein Signal von der Anregungsanordnung ab, welches beeinflußt wird, wenn sich die aktive Rotor/Linearanordnung von einer Seite zur anderen bewegt.
Wenn der aktive Rotor relativ zu der Anregungs- und der Meßanordnung gedreht wird, wird ein Signal in der Meßanordnung erzeugt, das proportional zu der Änderung in der Winkelposition ist. Änderungen in der Position des aktiven Rotors, die in ihrer Beschaffenheit nicht winklig sind, erzeugen stark verringerte Änderungen im Ausgangssignal. Zum Beispiel führt die axiale Bewegung des aktiven Rotors nicht zu einer Amplitudenänderung beim differentiellen Ausgangssignal. In ähnlicher Weise täuscht die seitliche Verschiebung des aktiven Rotors keine Winkeländerung vor. Die Meßvorrichtung hat auch eine um einen Faktor 20 oder höher vergrößerte Empfindlichkeit.
1 ist eine Schnittansicht eines kleinen Bereiches einer Meßvorrichtung für kleine Winkel, welche in einem Drehrheometer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die Meßvorrichtung 100 weist eine Anregungsanordnung 110, eine aktive Rotoreinrichtung 120 und eine Meßanordnung 130 auf. Die aktive Rotoranordnung 120 ist zwischen der Anregungsanordnung 110 und der Meßanordnung 130 angeordnet. Obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist, ist die aktive Rotoranordnung 120 beispielsweise mit einer Antriebswelle eines Motors in einem Drehrheometer mechanisch gekoppelt. Somit bewegt sich die aktive Rotoranordnung 120 mit der Antriebswelle des Rheometers.
Jede Anordnung der Meßvorrichtung 100 (d. h. Anregungsanordnung 110, aktive Rotoranordnung 120 und Meßanordnung 130) hat eine Vielzahl von Elementen oder leitenden Bereichen, die in weiteren Einzelheiten in den 2A–2C gezeigt sind, welche hiernach beschrieben werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung arbeitet die Meßvorrichtung 100 mit einem maximalen linearen Bereich von plus oder minus 20 Milliradian (mRad), welcher für einen Transducer mit 3.5 bis 5.0 mRad verwendet werden. Die Meßvorrichtung 100 hat einen Außendurchmesser von 76.2 mm (3 Zoll) für den Einbau unter Verwendung von PC-Kartentechnologie. Genauer hat jede Anordnung ein freies Loch mit einem minimalen Durchmesser von 25.4 mm (1.0 Zoll) für eine Nabe und die Verdrahtung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das freie Loch 38.1 mm (1.5 Zoll). Zusätzlich hat jede Anordnung einen Außendurchmesser von 63.5 mm (2.5 Zoll).
Die Anregungsanordnung 110 ist das elektrisch betriebene Element der Meßvorrichtung 100. Insbesondere liefert die Anregungsanordnung 110 ein sinusartiges Signal an die Meßanordnung 130. Ein Emitter A 112 und ein Emitter B 114, Elemente der Anregungsanordnung 110, senden Sinussignale aus, die um 180 Grad phasenverschoben sind.
Die aktive Rotoranordnung 120 ist ein leitendes Element der Meßvorrichtung 110, welche als ein abschattendes Element verwendet wird, um das elektrostatische Feld abzufangen, welches von der Anregungsanordnung 110 erzeugt wird. Pfeile 125 zeigen die seitliche Bewegung der aktiven Rotoranordnung 120 in der gewünschten Achse der Messung an. Für die Bestimmung des Ortes ist die aktive Rotoranordnung 120 mechanisch mit der sich bewegenden Welle des Rheometers gekoppelt, dessen Bewegung gemessen wird. Anders als herkömmliche kapazitive Meßvorrichtungen wird die aktive Rotoranordnung 120 durch elektrische Signal C' 122 und D' 124 getrieben, um die parasitäre Kapazität zu verringern, welche Verstärkungsfehler hervorruft.
Die Meßanordnung 130 fühlt ein Signal von der Anregungsanordnung 110 ab, das durch eine kapazitive Kopplung über den Spalt zwischen den beiden Anordnungen überführt wird. Die Elemente der Meßanordnung 130 umfassen einen Detektor C 132 und einen Detektor D 134. Pufferverstärker (nicht gezeigt) sind mit den Knoten C 132 und D 134 verbunden, um die Signale C' 122 bzw. D' 124 zu treiben. Demgemäß sind die Knoten C' 122 und D' 124 Quellen mit niedriger Impedanz, die präzise an die Signale angepaßt sind, welche an den Knoten C und D auftreten.
Die 2A, 2B und 2C sind schematische Schaubilder der Anregungsanordnung 110, der aktiven Rotoranordnung 120 bzw. der Meßanordnung 130 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dem Beispiel, das in diesen Figuren veranschaulicht ist, haben die Anregungsanordnung 110, die aktive Rotoreinrichtung 120 und die Meßanordnung 130 jede 50 Elemente oder leitende Flächen, welche Lamellen 210A, 210B und 210C genant werden. Jede Lamelle mißt 0.1256637 Radian. Zusätzlich hat jede Lamelle 210C der Meßanordnung 130 zwei Spuren oder Doppelschutzleitungen 220, welche das Antriebssignal C' 122 und D' 124 an die aktive Rotoranordnung 120 liefern. Die Spurbreite und der Abstand zwischen den Lamellen beträgt 0.127 mm (0.005 Zoll).
Obwohl das veranschaulichende Beispiel die Verwendung von 50 Lamellen offenbart, wird der Fachmann erkennen, daß die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt ist. Zum Beispiel können bei einer anderen Ausführungsform nur 20 Lamellen pro Anordnung verwendet werden. Als Alternative, wenn Dünnfilmtechnik oder andere Herstellungsverfahren für kleine Geometrien verwendet werden, können Anordnungen mit einer größeren Dichte als 25 Brückenelementen (50 Lamellen) erhalten werden.
Bei der hierin beschrieben Ausführungsform vergrößert die Verwendung von 50 Lamellen die sich ergebende Empfindlichkeit um einen Faktor 25. Insbesondere bilden die kapazitiven Elemente der Anregungsanordnung 110 und der Meßanordnung 130 mehrere kapazitive Brücken, die hiernach mit Bezug auf 3 beschrieben werden. Jede Brücke umfaßt die folgenden Knoten: Emitter A, Emitter B, Detektor C, Detektor D, Verlagerungselement C' und Verlagerungselement D'. Die Verwendung von 50 Anregungs- und Meßlamellen führt zu 25 derartiger Brücken, die aus 100 Kondensatoren aufgebaut sind, wobei jede Brücke die Empfindlichkeit der Meßvorrichtung vergrößert.
3 ist ein schematisches Schaubild einer kapazitiven Brücke, die aus den Elementen der Meßvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet ist. Die kapazitive Brücke 300 umfaßt die Knochen A, B, C und D ebenso wie Verlagerungselement C' und D', variable Kondensatoren AC 310, AD 320, BD 330 und BC 340, Treibersignale 350 und 360 und Pufferverstärker Ac 370 und Ad 380.
Die Treibersignale 350 und 360 stellen die sinusartigen Signale dar, die vom Emitter A 112 und vom Emitter B 114 ausgesendet werden und die um 180 Grad phasenverschoben sind. Die Knoten C 132 und D 134 erfassen jeweils die beiden Signale 350 und 360, die von den Emitter A und B ausgesendet werden. Die erfaßten Signale variieren in Stärke und Phase, wenn sich die Position der aktiven Rotoranordnung 120 ändert, und können als variable Kondensatoren AC 310, AD 320, BD 330 und BC 340 beschrieben werden.
Der variable Kondensator AC 310 stellt die Kapazität zwischen dem Emitter A 112 und dem Detektor C 132 der 1 dar. Ebenso stellt der variable Kondensator AD 320 die Kapazität zwischen dem Emitter A 112 und dem Detektor D 134 dar. Der variable Kondensator BD 330 stellt die Kapazität zwischen dem Emitter B 114 und dem Detektor D 134 dar, und der variable Kondensator BC 340 stellt die Kapazität zwischen dem Emitter B 114 und dem Detektor C 132 dar. Jeder der Kondensatoren AC 310, AD 320, BD 330 und BC 340 wird variabel beschrieben, da ihre Kapazitätswerte mit der Bewegung der aktiven Rotoranordnung 120 variieren.
Wenn zum Beispiel sich die aktive Rotoranordnung 120 aus 1 nach links bewegt, dann liefern die Elemente der Rotoranordnung weniger Abschattung zwischen dem Detektor C 132 und dem Emitter A 112 und weniger Abschattung zwischen dem Detektor D 134 und dem Emitter B 114. Da das Abschatten durch die Bewegung der aktiven Rotoranordnung 120 nach links verringert ist, liegt der Detektor C 132 gegenüber dem Emitter A 112 stärker frei, und der Detektor D 134 liegt gegenüber dem Emitter B 114 stärker frei. Demgemäß erhöht das Bewegen der aktiven Rotoranordnung 120 der 1 nach links die Kapazität des Kondensators AC 310 und BD 330, indem die effektive Oberfläche der kapazitiven Elemente erhöht wird (d. h. der Bereich der Emitter- und Detektorelemente, die nicht von den leitenden Rotorelementen abgeschattet werden).
Ebenso erhöht das Bewegen der aktiven Rotoranordnung 120 der 1 nach links das Abschatten, für das von der aktiven Rotoranordnung 120 zwischen dem Emitter A 112 und dem Detektor D 134 ebenso wie zwischen dem Emitter B 114 und dem Element C 132 gesorgt worden ist. Demgemäß senkt das Bewegen der aktiven Rotoranordnung 120 der 1 nach links die Kapazität des Kondensators AD 320 und BC 340.
Zurück zur 3, wenn sich der aktive Rotor 120 nach links bewegt, erhöht sich die Kapazität der Brückenkondensatoren AC 310 und BD 330, während die Kapazität der Brückenkondensatoren AD 320 und BD 340 um einen proportionalen Wert abnimmt. Die Änderung in den Kapazitätswerten der Brückenkondensatoren 310, 320, 330 und 340 bewirkt, daß die Brücke 300 aus dem Gleichgewicht kommt. Die Abfühlpunkte oder Detektoren C 132 und D 134 erfassen das differentielle Signal der nicht abgeglichenen Brücke 300. Weiter ist die Änderung der Kapazität linear in bezug auf die horizontale Verlagerung der effektiven Oberfläche der verschiedenen kapazitiven Elemente und ändert sich linear.
Jede Ausgestaltung einer kapazitiven Brücke, die durch die verschiedenen physikalischen Elemente der 1 gebildet wird, erhöht die Empfindlichkeit des Systems gegenüber Kapazitätsänderungen. Insbesondere vervielfacht die Verwendung mehrerer Brücken die Empfindlichkeit der Meßvorrichtung 100 durch die Anzahl der verwendeten Anordnungselemente. Insbesondere, wie oben mit Bezug auf die 2A, 2B und 2C beschrieben ist, umfaßt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 50 Lamellen für jede Anordnung in der Meßvorrichtung (d. h. Anregungs-, aktive Rotor- und Meßanordnung), was zu 25 Brückenelementen führt, die aus 100 Kondensatoren aufgebaut, sind welche in einer Anordnung verschaltet sind. Somit wird die sich ergebende Empfindlichkeit der Meßvorrichtung um einen Faktor 25 vervielfacht.
Obwohl das Verwenden von mehr Anordnungselementen die Empfindlichkeit der Meßvorrichtung erhöht, verringert es auch den vollen Maßstab des Winkel- oder Linearbereiches. Wenn zum Beispiel ein Drehpositionssensor mit einem Kondensator einen maximalen Vollbereich von 180 Grad hat, dann wird eine Anordnung aus 25 Brückenelementen auf einen maximalen Vollbereich von 7.2 Grad (z. B. 180/25 = 7.2) verringern. Jedoch beschränken physikalische Grenzen von Herstellungsgröße, Ausrichtung, dem Spalt zwischen Platten, Kanteneffekten und andere notwendige Kompromisse bei der Gestaltung den Bereich des Sensors sogar noch weiter als den theoretischen maximalen Vollbereich von 7.2 Grad. Die Ausführungsform, die in den 2A, 2B und 2C dargestellt ist, welche 50 Lamellen pro Anordnung aufweist, erreicht eine Messung kleiner Winkel von plus oder minus 20 mRad im beschränkten Anwendungsbereich von 5 mRad oder weniger.
Parasitäre Kapazitäten (z. B. durch Bewegung in die Nicht-Meßrichtung eingeführt) könnten beim Fehlen korrigierender Maßnahmen die Signale verzerren, die an den Knoten C und D erfaßt werden. Zum Beispiel kann die Bewegung der Drehelektrode, die nicht entlang dem Hauptmeßweg ist, zusätzliche Kapazitäten einführen, die für die Funktion des Sensors parasitär sind, was einen Fehler in der Verstärkung und eine verringerte Empfindlichkeit verursacht. Insbesondere würden die Knoten A und B mit niedriger Impedanz durch irgendwelche Änderungen in der Kapazität aufgrund von parasitären Kapazitäten relativ unbeeinflußt bleiben. Die Knoten C und D mit hoher Impedanz jedoch, die extrem empfindlich auf kapazitive Belastung sind, würden ihre Werte ändern, wenn eine parasitäre Kapazität eingeführt würde, so daß ein Verstärkungsfehler in der Brücke das Ergebnis wäre.
Um jegliches Verzerren zu verringern oder zu beseitigen, wird die aktive Rotoranordnung 120 von den Elementen C' 122 und D' 124 elektrisch getrieben. Die Elemente C' 122 und D' 124 sind Elemente mit niedriger Impedanz, die relativ unempfindlich oder immun auf Änderungen in der Kapazität aufgrund von Kapazitätsbelastung sind. Pufferverstärker 370 und 380 liefern die erfaßten Signale von der Meßanordnung 130 an die aktive Rotoranordnung 120. Auf diese Weise sind die Treibersignale C' 122 und D' 124 präzise an die Signale angepaßt, die auf den Knoten C 132 bzw. D 134 der stationären Meßanordnung 130 erscheinen.
Somit umfassen die parasitären Kapazitäten, die in der Anordnung der 1 gebildet sind, AC', AD', BC', BD', CC', CD', DC' und DD'. Die Knoten A, B, C' und D' jedoch sind Emitterelemente, welche Quellen niedriger Impedanz sind, die durch irgendwelche Änderungen in der Kapazität relativ unbeeinflußt bleiben. Obwohl somit die parasitären Kapazitäten AC', AD', BC' und BD' reale Kapazitäten sind, die vom Spaltabstand beeinflußt werden, werden jegliche Änderungen in diesen Kapazitäten die Knoten A, B, C' und D' relativ unbeeinflußt lassen.
Ebenso werden auch die parasitären Kapazitäten CD' und DC' durch ihre Anordnung in dem System minimiert. Insbesondere werden die Kapazitäten CD' und DC' minimiert, indem die Knoten C' 122 und D' 124 oberhalb der Zentren der Knoten C bzw. D gebracht werden. Selbst wenn sich somit die aktive Rotoranordnung nach links oder rechts bewegt, wird der Betrag jeder Überlagerung zwischen den Knoten C oder D' oder zwischen den Knoten C' und D minimiert.
Am wichtigsten ist, daß die parasitären Kapazitäten CC' und DD' effektiv Null sind. Vor allem deswegen, weil der Knoten D' vom Knoten D getrieben wird, haben die beiden Quellen jederzeit dieselbe Potentialspannung. Somit ist die Kapazität DD' zwischen dem Knoten D und D' effektiv Null. Derselbe Schutz („elektrostatisches Bewachen”) liegt zwischen den Knoten C und C' vor, was zu einer Kapazität von Null führt. Der effektive Wert Null für diese beiden Kondensatoren wird in keiner Weise durch den Spalt zwischen den beiden Elektroden geändert, da er sich aufgrund der Bewegung in eine andere Richtung als der Meßrichtung ändern kann. Da diese Kapazitäten normalerweise die Quelle von Verstärkungsfehlern in einer Meßvorrichtung sind, wird diese Fehlerquelle in effektiver Weise durch die vorliegende Erfindung bei der Messung ausgeschlossen.
Zusammengefaßt erhöht die vorliegende Erfindung die Empfindlichkeit in der Meßrichtung und verringert den Fehler aufgrund von Bewegung in der Nicht-Meßrichtung. Wie beschrieben bilden die verschiedenen physikalischen Elemente der 1 mehrere kapazitive Brücken, wobei jede Brücke die Empfindlichkeit der Meßvorrichtung erhöht. Wenn 50 Lamellen verwendet werden, wird die sich ergebende Empfindlichkeit der Meßvorrichtung um einen Faktor 25 erhöht.
Zusätzlich wird die Meßvorrichtung dahingehend verbessert, daß die parasitäre Kapazität verringert wird, die durch Bewegung in die Nicht-Meßrichtung eingeführt wird, indem die aktive Rotoranordnung mit einem elektrischen Signal getrieben wird.
Demgemäß ist es, wenn man die beschriebene Technik mit mehreren Brücken und das kapazitive Schützen der Rotorelemente verwendet, möglich, einen hochpräzisen kapazitiven Positionssensor für kleine Winkel zur Verwendung in einem Rheometer herzustellen, der relativ unempfindlich gegenüber Bewegungen in der Nicht-Meßachse ist. Wenn herkömmliche Techniken mit gedruckten Leiterkarten verwendet werden, ist es möglich, eine Anordnung aus 25 Elementen in einem vernünftigen Betriebsdurchmesser zu erhalten. Wie oben beschrieben können Anordnungen mit höherer Dichte erhalten werden, indem Dünnfilmtechniken und andere Herstellungsverfahren für kleine Geometrien verwendet werden.
Die voranstehende Offenbarung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist für die Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung dargestellt worden. Sie ist nicht als erschöpfend oder die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen beschränkend gedacht. Viele Variationen und Modifikationen der hierin beschriebenen Ausführungsformen werden einem Durchschnittsfachmann im Lichte der obigen Offenbarung deutlich. Der Umfang der Erfindung soll nur durch hieran angehängten Ansprüche und durch ihre Äquivalente definiert werden.
Weiter kann beim Beschreiben repräsentativer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Beschreibung das Verfahren und/oder den Prozeß der vorliegenden Erfindung als eine bestimmte Abfolge von Schritten dargestellt haben. In dem Maße jedoch, daß das Verfahren oder der Prozeß nicht auf die bestimmte Anordnung von Schritten, wie hierin ausgeführt, vertraut, sollte das Verfahren oder der Prozeß nicht auf die bestimmte beschriebene Abfolge von Schritten beschränkt sein. Wie ein Durchschnittsfachmann erkennen würde, können andere Abfolgen von Schritten möglich sein. Daher sollte die bestimmte Reihenfolge der Schritte, wie sie in der Beschreibung aufgeführt ist, nicht als Beschränkungen für die Ansprüche gedacht sein. Zusätzlich sollten die Ansprüche, die auf das Verfahren und/oder den Prozeß der vorliegenden Erfindung gerichtet sind, nicht auf das Ausführen ihrer Schritte in der geschriebenen Ordnung beschränkt sein, und ein Fachmann kann leicht erkennen, daß die Abfolgen variiert werden können und weiterhin im Gedanken und Umfang der vorliegenden Erfindung bleiben.

Claims

Kapazitiver Drehwinkelsensor zum Messen einer Bewegung in einem Drehrheometer, mit: einer Anregungsanordnung (110), die eine Vielzahl von ersten Emittern (112) und eine Vielzahl von zweiten Emittern (114) hat, wobei die Vielzahl der ersten Emitter ein erstes sinusartiges Signal aussendet und die Vielzahl der zweiten Emitter ein zweites sinusartiges Signal aussendet, wobei das zweite sinusartige Signal gegenüber dem ersten sinusartigen Signal phasenverschoben ist; einer Meßanordnung (130), die der Anregungsanordnung (110) gegenüberstehend angeordnet ist und eine Vielzahl von ersten Detektoren (132) und eine Vielzahl von zweiten Detektoren (134) hat, wobei die Vielzahl der ersten Detektoren eine erste Spannung des ersten und zweiten sinusartigen Signals abfühlt und die Vielzahl der zweiten Detektoren eine zweite Spannung des ersten und des zweiten sinusartigen Signals abfühlt; und einer aktiven Rotoranordnung (120), die so ausgelegt ist, daß sie mechanisch mit einer Antriebswelle des Drehrheometers gekoppelt ist und zwischen der Anregungsanordnung (110) und der Meßanordnung (130) drehbewegt wird, wobei die aktive Rotoranordnung (120) eine Vielzahl von ersten bewegbaren Elementen und eine Vielzahl von zweiten bewegbaren Elementen hat, wobei die Vielzahl der ersten bewegbaren Elemente von der ersten Spannung getrieben wird und die Vielzahl der zweiten bewegbaren Elemente von der zweiten Spannung getrieben wird, wobei die Bewegung der aktiven Rotoranordnung (120) die erste und zweite Spannung variiert und die aktive Rotoranordnung (120) die Bewegung der Antriebswelle des Drehrheometers aus der ersten und der zweiten Spannung bestimmt.
Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, bei dem die Anregungsanordnung (110), die aktive Rotoranordnung (120) und die Meßanordnung (130) unter Verwendung von Techniken für gedruckte Leiterkarten gebildet sind.
Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, bei dem die Anregungsanordnung (110), die aktive Rotoranordnung (120) und die Meßanordnung (130) unter Verwendung eines Dünnfilm-Herstellungsverfahrens gebildet sind.
Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, bei dem die Anregungsanordnung (110), die Meßanordnung (130) und die aktive Rotoranordnung (120) in der Form von Platten vorliegen.
Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, bei dem die Anregungsanordnung (110) 20 oder mehr Emitter aufweist, die aktive Rotoranordnung (120) 20 oder mehr bewegbare Elektroden aufweist und die Meßanordnung (130) 20 oder mehr Detektoren aufweist, so daß 10 oder mehr kapazitive Brücken gebildet werden.
Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 1, bei dem der Sensor einen maximalen Bereich von plus oder minus 20 Milliradian hat.
Verfahren zum Messen einer kleinen Winkelbewegung eines Drehrheometers, das umfaßt: Aussenden eines ersten sinusartigen Signals von einem ersten Emitter (112) einer Anregungsanordnung (110); Aussenden eines zweiten sinusartigen Signals von einem zweiten Emitter (114) der Anregungsanordnung (110), wobei das zweite sinusartige Signal gegenüber dem ersten sinusartigen Signal phasenverschoben ist; Abfühlen einer ersten Spannung des ersten und des zweiten sinusartigen Signals mit einem ersten Detektor (132) in einer Meßanordnung (130), wobei die Meßanordnung der Anregungsanordnung (110) gegenüberliegend angeordnet ist; Abfühlen einer zweiten Spannung des ersten und des zweiten sinusartigen Signals an einem zweiten Detektor (134) in der Meßanordnung (130); Drehbewegen einer aktiven Rotoranordnung (120), die so ausgelegt ist, daß sie mechanisch an eine Antriebswelle des Drehrheometers gekoppelt ist, zwischen der Anregungsanordnung (110) und der Meßanordnung (130), wobei die aktive Rotoranordnung (120) eine erste bewegbare Elektrode und eine zweite bewegbare Elektrode hat, wobei die Bewegung der ersten und der zweiten bewegbaren Elektrode die erste Spannung und die zweite Spannung variiert, die von der Meßanordnung (130) abgefühlt wird, und die Meßanordnung (130) die kleine Winkelbewegung der Antriebswelle des Drehrheometeres aus der ersten und der zweiten Spannung bestimmt; Treiben der ersten bewegbaren Elektrode mit der ersten Spannung; und Treiben der zweiten bewegbaren Elektrode mit der zweiten Spannung.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Anregungsanordnung (110) weiter eine Vielzahl erster Emitter und eine Vielzahl zweiter Emitter aufweist, bei dem die aktive Rotoranordnung (120) eine Vielzahl von ersten bewegbaren Elektroden und eine Vielzahl von zweiten bewegbaren Elektroden aufweist und die Meßanordnung (130) eine Vielzahl von ersten Detektorelementen und eine Vielzahl von zweiten Detektorelementen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Anregungsanordnung (110) 20 oder mehr Emitter aufweist, die aktive Rotoranordnung (120) 20 oder mehr bewegbare Elektroden aufweist und die Meßanordnung (130) 20 oder mehr Detektoren aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Anregungsanordnung (110), die aktive Rotoranordnung (120) und die Meßanordnung (130) unter Verwendung von Techniken für gedruckte Schaltkarten gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Anregungsanordnung (110), die aktive Rotoranordnung (120) und die Meßanordnung (130) unter Verwenden eines Dünnfilm-Herstellungsverfahrens gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Anregungsanordnung (110), die Meßanordnung (130) und die aktive Rotoranordnung (120) in der Form von Platten vorliegen, wobei jede Platte eine Vielzahl von Lamellen aufweist.
Kapazitiver Drehwinkelsensor zum Messen einer kleinen Winkelbewegung eines Drehrheometers, mit: einer Einrichtung zum Aussenden eines ersten sinusartigen Signals von einem ersten Emitter einer Anregungsanordnung (110); einer Einrichtung zum Aussenden eines zweiten sinusartigen Signals von einem zweiten Emitter der Anregungsanordnung (110), wobei das zweite sinusartige Signal gegenüber dem ersten sinusartigen Signal phasenverschoben ist; einer Einrichtung zum Abfühlen einer ersten Spannung des ersten und des zweiten sinusartigen Signals an einem ersten Detektor in einer Meßanordnung (130), wobei die Meßanordnung (130) der Anregungsanordnung (110) gegenüberliegend angeordnet ist; einer Einrichtung zum Abfühlen einer zweiten Spannung des ersten und des zweiten sinusartigen Signals an einem zweiten Detektor in der Meßanordnung (130); einer Einrichtung zum Drehbewegen einer aktiven Rotoranordnung (120), die so ausgelegt ist, daß sie mechanisch mit einer Antriebswelle des Drehrheometers gekoppelt ist, zwischen der Anregungseinrichtung (110) und der Meßeinrichtung (130), wobei die aktive Rotoranordnung (120) eine erste bewegbare Elektrode und eine zweite bewegbare Elektrode hat, wobei die Bewegung der ersten und der zweiten bewegbaren Elektrode die erste Spannung und die zweite Spannung variiert, die von der Meßanordnung (130) abgefühlt werden; einer Einrichtung zum Bestimmen der kleinen Winkelbewegung der Antriebswelle des Drehrheometers aus der ersten und der zweiten Spannung; einer Einrichtung zum Treiben der ersten bewegbaren Elektrode durch die erste Spannung; und einer Einrichtung zum Treiben der zweiten bewegbaren Elektrode mit der zweiten Spannung.
Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 13, bei dem die Anregungsanordnung (110) weiter eine Vielzahl von ersten Emittern und eine Vielzahl von zweiten Emittern aufweist, bei dem die aktive Rotoranordnung (120) eine Vielzahl erster bewegbarer Elemente und eine Vielzahl zweiter bewegbarer Elemente aufweist, und bei dem die Meßanordnung (130) eine Vielzahl erster Detektorelemente und eine Vielzahl zweiter Detektorelemente aufweist.
Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 14, bei dem die Anregungsanordnung (110) 20 oder mehr Emitter aufweist, die aktive Rotoranordnung (120) 20 oder mehr bewegbare Elektroden aufweist und die Meßanordnung (130) 20 oder mehr Detektoren aufweist.
Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 13, bei dem die Anregungsanordnung (110), die aktive Rotoranordnung (120) und die Meßanordnung (130) unter Verwendung von Techniken für gedruckte Leiterkarten gebildet sind.
Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 13, bei dem die Anregungsanordnung (110), die aktive Rotoranordnung (120) und die Meßanordnung (130) unter Verwendung eines Dünnfilm-Herstellungsverfahrens gebildet sind, um hohe Dichte zu erhalten.
Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 13, bei dem die Anregungsanordnung (110), die Meßanordnung (130) und die aktive Rotoranordnung (120) in der Form von Platten vorliegen, wobei jede Platte eine Vielzahl von Lamellen aufweist.
Kapazitiver Drehwinkelsensor nach Anspruch 13, bei dem der Sensor einen maximalen Bereich von plus oder minus 20 Milliradian hat.