DE1124252B - Einrichtung zur Ausschaltung der Einfluesse eines veraenderlichen Dielektrikums einer kapazitiven Abtast-Anordnung zum Messen mechanisch-dynamischer Groessen - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Ausschaltung der Einflüsse eines veränderlichen Dielektrikums einer kapazitiven Abtast-Anordnung zum Messen mechanisch-dynamischer Größen Zur elektrischen Messung mechanischer Größen werden heute vorzugsweise widerstandsändernde Systeme oder induktive oder kapazitive Wandler benutzt. Welcher Wandler für den jeweiligen Zweck vorzuziehen ist, hängt weitgehend von der zu lösenden Aufgabe und von deren Randbedingungen ab. Ist eine berührungslose Messung bei sehr hohen Temperaturen durchzuführen, eine Aufgabe, wie sie beispielsweise im Turbinenbau immer wieder gestellt wird, so bleiben von den genannten Möglichkeiten praktisch nur kapazitive Verfahren übrig, da die Isolation der die Wicklung induktiver Geber bildenden Drähte hohen Temperaturen nicht gewachsen ist.
• Die Messung mechanischer Größen mittels kapazitiver Wandler ist praktisch stets eine Wegmessung, da sämtliche sonstigen mechanischen Meßgrößen, wie beispielsweise Kraft oder Drehung, auf eine Wegmessung zurückgeführt bzw. in eine solche umgewandelt werden können.
• Durch diesen Meßweg wird der Abstand von Kondensatorplatten verändert und damit die Kapazität des so gebildeten Meßkondensators gemäß der bekannten Kondensatorformel worin F die wirksame Plattenfläche, E die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums und d der Plattenabstand ist. Will man nun der Messung eines Weges oder auch einer Wegänderung die Bestimmung der Kapazität C zugrunde legen, so muß vorausgesetzt werden, daß die Dielektrizitätskonstante e des Dielektrikums konstant ist. Bei den üblichen Meßaufbauten dient Luft als Dielektrikum, und die Tatsache, daß die Dielektrizitätskonstante der Luft von deren Feuchtegehalt abhängig ist, ist die Ursache dazu, daß kapazitive Meßmethoden bei einfachen Meßaufbauten unzuverlässig und ungenau sind. Dies tritt noch im verstärkten Maße in Erscheinung, wenn an Stelle von Luft Dampf als Dielektrikum in Kauf genommen werden muß, wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn Messungen im Inneren von Dampfturbinen vorgenommen werden sollen. Der Feuchtegehalt des Dampfes und damit seine Dielektrizitätskonstante hängt weitgehend vom Dampfzustand ab und ist, um bei dem Beispiel einer Dampfturbine zu bleiben, unterschiedlich, je nachdem, ob die Turbine vorgewärmt oder angefahren wird oder ob sie sich im normalen Betrieb befindet.
• Messungen haben ergeben, daß bei den verschiedenen Dampfzuständen die Dielektrizitätskonstante zwischen 1,2 und 63 schwankt. Diese starken Unterschiede in der Dielektrizitätskonstante sind der Anlaß dazu, daß in der Praxis kapazitive Meßverfahren seither nur dort anzutreffen sind, wo die Anwendung selbstausgleichender Brückenschaltungen mit zwei aktiven Zweigen möglich ist. Abgesehen von den Schwierigkeiten einer solchen Brückenschaltung im Hinblick auf die Nullpunktskonstanz lassen sich diese Schaltungen nicht überall anwenden. Somit scheiden bis heute alle kapazitiven Meßverfahren, die sich auf Grund der Meßaufgabe nicht in Form einer Brückenschaltung aufbauen lassen, infolge ihrer Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstante und ihrer damit verbundenen Ungenauigkeit für die Praxis aus.
• Hier schafft die vorliegende Erfindung bei einer Einrichtung zur Ausschaltung der Einflüsse eines veränderlichen Dielektrikums einer kapazitiven Abtastanordnung zum Messen mechanisch-dynamischer Größen dadurch Abhilfe, daß zwei voneinander getrennte, an den gemeinsamen Meßkondensator angeschlossene Meßkanäle vorgesehen sind, in deren einem Meßkanal die durch das veränderliche Dielektrikum hervorgerufenen Änderungen und in deren anderem Meßkanal die Summe der sowohl durch das veränderliche Dielektrikum als auch durch die mechanische Meßgröße gleichzeitig hervorgerufenen Änderungen zur Wirkung kommen.
• Um bei einer Wechselspannung, die Nutz- und Störmodulation enthält, mit Hilfe einer zweiten Wechselspannung, die im wesentlichen nur die Störmodulation enthält, die Störmodulation zu beseitigen, sind bereits entsprechende Einrichtungen bekannt. Solche Einrichtungen werden z. B. benutzt, um eine selektiv gegebene Funknachricht von einem breiten Störspektrum, z. B. atmosphärischen Störungen, zu trennen. Hierbei wird die atmosphärische Störung für sich durch einen getrennten Empfänger, der nicht auf die Nutzmodulation anspricht, aufgenommen. Demgegenüber ist aber bei der Erfindung nur ein Empfänger vorhanden, welcher sowohl Nutzsignale als auch Störsignale aufnimmt.
• Die Erfindung ist im folgenden an Hand einer schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt Fig. 1 ein Meßobjekt mit einer Meßeinrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 die Anordnung eines mechanisch-elektrischen Erzeugers der Trägerfrequenz, Fig.3 den zeitlichen Verlauf der überlagerten Meßspannung vor der Kanalaufteilung, Fig.4 den zeitlichen Verlauf der ausgesiebten Modulationsspannung.
• Bei einer Einrichtung ist gemäß dem Ausführungsbeispiel dem Meßobjekt 1 gegenüber die Meßelektrode 2 angebracht. Zwischen dem Meßobjekt 1 und Elektrode 2 wird durch den Frequenzgenerator 3 mit konstanter Ausgangsspannung über einen Widerstand 4 ein elektrisches Wechselfeld aufgebaut, wobei - wie bei allen Trägerfrequenzverfahren üblich -die Frequenz der vom Generator 3 erzeugten Wechselspannung hoch ist im Verhältnis zur maximalen Frequenz der zu messenden mechanischen Größe.
• Der Generator selbst kann hierbei sowohl als Röhrengenerator als aber auch bei Messung an rotierenden Teilen mit Außenverzahnung bzw. einer Beschaufelung bei Turbinen so ausgebildet sein, daß gemäß Fig. 2 gegenüber dem Meßobjekt 10 eine Elektrode 11 angebracht wird. Zwischen den Elektroden 10 und 11 wird durch eine Gleichspannungsquelle 12 ein elektrisches Feld aufgebaut, dessen Stärke pro Umdrehung des Rotors mit der Zahnzahl bzw. der Anzahl der Schaufeln moduliert wird.
• An dem Widerstand 4 (Fig. 1) entsteht ein Spannungsabfall, der bei konstanter Ausgangsspannung des Generators 3, konstantem Widerstand 4 und konstanter Generatorfrequenz nur noch von dem Abstand der Elektrode 2 vom Meßobjekt und von der Dielektrizitätskonstante des Mediums abhängig ist. Diese am Widerstand 4 abgefallene Meßspannung U1 wird nun in zwei voneinander getrennten Kanälen nach zwei verschiedenen Gesichtspunkten ausgewertet: Sie wird einmal dem Verstärker 5 zugeleitet, in einem diesem Verstärker nachgeschalteten Gleichrichter 6 gleichgerichtet und in dem Kondensator 7 gespeichert. Sollen nun durch kapazitive Meßanordnung relative Bewegungen zwischen Meßobjekt oder Elektrode gemessen werden, wobei vorausgesetzt sei, daß die relative Abstandsänderung Ad klein gegenüber dem Grundabstand d sein soll, so wird die am Speicherkondensator 7 anliegende Spannung infolge der integrierenden Wirkung des Kondensators durch diese Relativbewegungen nicht beeinflußt, sondern ist bei konstanter Generatorspannung, konstantem Widerstand 4, konstanter Generatorfrequenz und konstantem Grundabstand zwischen Elektrode 2 und Meßobjekt 1 nur noch von der Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen 1 und 2 abhängig. Die am Kondensator 7 anliegende Spannung U2 (vgl. Fig. 3) wird infolgedessen bei konstanten Bedingungen nur durch die wirksame Dielektrizitätskonstante beeinfiußt oder, anders ausgedrückt: U2 -f1 (E) Die am Widerstand 4 abfallende Wechselspannung U1 wird zum anderen einem Demodulator und Siebkreis 8 zugeleitet, an dessen Ausgang die der mechanischen relativen Wechselbewegung entsprechende Wechselspannung U3 meßbar wird. Diese Meßspannung U3 ist jedoch nicht nur eine Funktion der relativen Abstandsänderung 4d zwischen Meßobjekt 1 und Elektrode 2, sondern auch, und zwar nach gleichem Gesetz wie U2 von der Dielektrizitätskonstante abhängig, d. b.
• U3 = (A d,--).
• Nachdem die Abhängigkeitsgrundfunktionen f1 und f2 infolge des gemeinsamen einen Meßkondensators (1-2), des gemeinsamen Widerstandes 4 und gemeinsamen Generators 3 gleich sind, kann der Einfluß unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten dadurch eliminiert werden, daß man U3 zu U2 in Verhältnis setzt, d. h. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem man die beiden Meßspannungen U3 und U2 einem Quotientenmeßwerk zuführt. Eine entsprechende Lösung ist in Fig. 1 dargestellt. Die aus dem Demodulator kommende Meßspannung U3 wird verstärkt und gleichgerichtet und der einen Meßspule eines Quotientenmessers 9 zugeführt, die am Speicherkondensator 7 anliegende Spannung wird zwecks Vermeidung einer ohmschen Belastung dieses Kondensators unter Zwischenschaltung einer Trennstufe 10, die beispielsweise als Kathodenverstärker ausgebildet sein kann, der anderen Meßspule des Quotientenmessers zugeführt.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung zur Ausschaltung der Einflüsse eines veränderlichen Dielektrikums einer kapazitiven Abtast-Anordnung zum Messen mechanischdynamischer Größen, gekennzeichnet durch zwei voneinander getrennte, an den gemeinsamen Meßkondensator angeschlossenen Meßkanäle, in deren einem Meßkanal die durch das veränderliche Dielektrikum hervorgerufenen Änderungen, in deren anderem Meßkanal die Summe der sowohl durch das veränderliche Dielektrikum als auch durch die mechanische Meßgröße gleichzeitig hervorgerufenen Änderungen zur Wirkung kommen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der mittleren Trägerfrequenzamplitude die amplitudenmodulierte Trägerfrequenzspannung gleichgerichtet und in einem dem Gleichrichter nachgeschalteten Kondensator so integriert wird, daß diese Gleichspannung von der Modulation durch den Meßvorgang unabhängig wird.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Vermeidung einer Belastung des Speicherkondensators nach An- Spruch 1 eine extrem hochohmige Trennstufe (U,) nachgeschaltet ist.
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Verhältnisses der Modulationsamplitude zur mittleren Amplitude der Trägerfrequenzspannung ein Quotientenmeßwerk verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 894134, 951754, 1030047.