DE1248959B

DE1248959B - Kapazitiver Meßumformer

Info

Publication number: DE1248959B
Application number: DENDAT1248959D
Authority: DE
Inventors: London Caleb Frederick Wolfendale
Original assignee: Sogenique (Electronics) Limited, Newport Pagnell, Buckinghamshire (Großbritannien)
Publication date: 1967-08-31

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOId

Deutsche Kl.: 42 d-1/12

Nummer: 1248 959

Aktenzeichen: R 26332IX b/42 d

Anmeldetag: 8. September 1959

Auslegetag: 31. Augustl967

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Meßumformer mit einer Reihe von feststehenden, Abstand voneinander besitzenden, wechselspannungsgespeisten Einzelelektroden, in deren elektrischem Feld eine Abtastelektrode verschiebbar angeordnet und kapazitiv an diese angekoppelt ist, so daß sie bei einer Verschiebung einer sich gegenüber einem Bezugspotential ' ändernde Ausgangsspannung liefert, die ihrer relativen Stellung entspricht.

Gemäß dem deutschen Patent 872 643 war eine Vorrichtung zum Messen der Abstandsänderungen zweier Elemente durch Messung der Änderung der Kapazität bekannt. Diese Kapazitätsänderung wurde durch zwei einander zugekehrte und gegeneinander in Richtung ihrer flächenbeweglichen Elektroden bestimmt. Die einander gegenüberliegenden Elektroden waren zwar gemäß der bekannten Vorrichtung in Flächenabschnitte al, al usw. und Flächenabschnitte 61, & 2 usw. unterteilt, wobei jedoch die Teile a, b jeweils zu einer einzigen Elektrode gehörten und demgemäß sämtlich das gleiche Potential besaßen. Eine derartige Meßvorrichtung ist für verschiedene Meßaufgaben jedoch ungeeignet, da bei dieser bekannten Vorrichtung zu einem bestimmten abgeleiteten Potential mehrere Relativstellungen der Elektrode gehören. Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einer bestimmten Lage der Abtastelektrode ein bestimmtes, zu einer Relativstellung gegenüber der feststehenden Elektrodenreihe gehörendes Potential abzuleiten, das zweckmäßig mit einem Bezugspotential verglichen wird. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr viel höhere Meßgenauigkeit, zumal Nullmethoden sehr exakt sind.

Die obengenannten Aufgaben erreicht die Erfindung dadurch, daß den elektrisch voneinander isoliert angeordneten Einzelelektroden aufeinanderfolgend unterschiedliche Spannungen zugeführt sind.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die aufeinanderfolgenden Einzelelektroden an aufeinanderfolgende Abgriffe eines Transformators angeschlossen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Impedanzen vorgesehen, die zur Einstellung des Bezugspotentials als Spannungsteiler hintereinandergeschaltet sind.

Gemäß Weiterbildung der Erfindung können ferner die wechselspannungsgespeisten Einzelelektroden nebeneinander angeordnete flache Metallplatten sein, und die ihnen gegenüber angeordnete Abtastelektrode kann als flache Platte ausgebildet sein.

Für viele Anwendungen ist es zweckmäßig, daß, wie hier vorgeschlagen wircfc, die Einzelelektroden Zylinder aus leitendem Werkstoff sind, die dicht Kapazitiver Meßumformer

Anmelder:

Sogenique (Electronics) Limited,
Newport Pagnell,
Buckinghamshire (Großbritannien)

Vertreter:

Dr.-Ing. K. Boehmert, Dipl.-Jng. A. Boehmert
und Dipl.-Ing. G. Eisenführ, Patentanwälte,
Bremen, Feldstr. 24

Als Erfinder benannt:

Caleb Frederick Wolfendale, London .

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom. 8. September 1958 (28 794).

nebeneinander geradlinig angeordnet sind, und daß die Abtastelektrode ein Zylinder aus ebenfalls leitendem Material ist, dessen Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser der anderen Zylinder, wobei die Abtastelektrode konzentrisch zu den und außerhalb der Einzelelektroden liegt.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Meßumformers, der zur genauen Einstellung des Fräskopfes einer Fräsmaschine in bezug zu dem Maschinentisch verwendet wird,

F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie II-II in

F i g. 3 die in Verbindung mit. dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Meßumformers verwendete Schal-

F i g. 4 eine' Schnittansicht einer abweichenden Ausführungsform eines kapazitiven Meßumformers,

F i g. 5 die in Verbindung mit dem in F i g. 4 dargestellten Meßumformers verwendete Schaltung.

Jeder hier beschriebene kapazitive Meßumformer hat eine lineare Anordnung voriElektroden, die voneinander isoliert sind und an welche sich fortschrei-

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tend ändernde Wechselspannungen angelegt sind. Wenn sich eine Abtastelektrode an dieser linearen Anordnung entlangbewegt, zeigt ihr Potential ihre Stellung längs dieser Anordnung an. Wenn die Abtastelektrode in Verbindung mit einem Maschinenelement, wie dem obenerwähnten Fräskopf, verschoben wird, zeigt ihr Potential die Stellung dieses Maschinenelementes an.

Dieses Potential wird mit einem Bezugspotential

In den.F i g. 1 und 2 sind die Elemente des kapazitiven Potentiometers ähnlich und jeweils zylindrisch

ten der Abtastelektrode 12 verlaufen senkrecht zu der Achse der Baugruppe, und die inneren Flächen des engeren Abschnittes 15 der Bohrung, der Abtastelektrode 12, des Haltezylinders 21 und die inneren 5 Flächen der Isolierscheiben 17 und IS liegen alle auf einer gemeinsamen zylindrischen Fläche. Wenn die Vorrichtung benutzt wird, wird der Schlitten an Masse gelegt, so daß das Gehäuse und der Haltezylinder 21 Schutzringe für die Abtastelektrode bilden,

verglichen, so daß eine Anzeige der Stellung des io um Üngenauigkeiten infolge unerwünschter Einflüsse Maschinenelements in bezug zu einer gegebenen zu beseitigen.

Bezugsstellung erhalten wird. Nun wird auf F i g. 3 B Bezug genommen. Die

ringförmigen Einzelelektroden 1 werden von einem ringförmigen Autotransformator Tl erregt, welcher

oder ringförmig. Dreizehn Elemente 1, im folgenden 15 von der Bezugsspannungsquelle X-Y erregt wird und als (wechselspannungsgespeiste) Einzelelektroden be- dreizehn Abgriffe hat, die nacheinander mit den Einzeichnet, sind abwechselnd mit dünnen Isolierschei- zelelektroden 1 verbunden sind, so daß ein gleichben, wie 2, die den gleichen Außendurchmesser förmig fortschreitender Anstieg des Potentials der haben, auf ein gerades Rohr 3 geschraubt, das einen Einzelelektroden längs der Baugruppe vorhanden ist. Überzug 4 aus Isoliermaterial hat. Diese Baugruppe ao Die Verbindungen mit den ringförmigen Einzelelekist zwischen zwei Muttern eingeklemmt, die auf die troden werden durch Federkontakte, wie 24 (Fig. 1) Welle geschraubt sind und von den Enden der Bau- im Inneren der elektrischen Baugruppe und durch gruppen durch isolierende Abstandsringe oder Schei- Leitungen, mit 25 in Fig. 1 bezeichnet, hergestellt, ben getrennt sind. Die eingespannte Baugruppe ist die durch die Welle 3 hindurchgehen. Der elektrische zwischen zwei Endplatten 9 und 10 angeordnet, 25 Anschluß an die Abtastelektrode 12 (F i g, 1) wird in welche von einer starren Grundplatte 11 hochstehen, gleicher Weise mittels eines Federkontaktes 26 an und wird durch zwei weitere Scheiben und Muttern, dem Gehäuse hergestellt. Bei gleichen Zunahmen des eine an jedem Ende, in ihrer Stellung gehalten. Diese an die Einzelelektroden angelegten Potentials ist die Scheiben und Muttern liegen an den Außenseiten Kurve des Potentials der Abtastelektrode über ihrer der Endplatten an. Die elektrische Baugruppe hat 30 linearen Einstellung infolge Herstellungsungenauigeine glatte durchgehende zylindrische Außenfläche, keiten im allgemeinen nicht genau linear. Es kann die aus voneinander getrennten, gleich weit vonein- jedoch eine axiale Länge der Abtastelektrode errnitander entfernten wechselspannungsgespeisten Einzel- telt werden, bei welcher diese Kurve im wesentlichen elektroden besteht, deren Randlinien in unter rechtem linear ist. Diese Länge ist im wesentlichen gleich der Winkel zur Achse der Welle verlaufenden Ebenen 35 Teilung der Einzelelektroden, aber ihr genauer Wert liegen. hangt von zahlreichen Faktoren, beispielsweise von

An zwei starren, im Querschnitt kreisförmigen Stangen 13, 14 ist verschiebbar ein Schlitten für die Abtastelektrode 12 gelagert. Die Stangen 13, 14 erstrecken sich zwischen den Endplatten 9 und 10 unterhalb der Welle 3 und an gegenüberliegenden Seiten derselben. Hierdurch wird eine zu der Achse der Baugruppe genau parallele Bewegung des Schlittens erzwungen. Der Schlitten hat rechteckige äußere

der Stärke der Isolierscheiben und der Länge der Schutzringe ab und kann als die »effektive elektrische Länge« der Abtastelektrode bezeichnet werden. Bei 40 der praktischen Ausführung würde diese Länge empirisch ermittelt werden.

Das Signal von der Abtastelektrode wird über ein abgeschirmtes Kabel dem Gitter der Pentode Vl zugeführt. Über einen Kondensator Cl ist eine nega-

Form und eine hindurchgehende horizontale Boh- 45 tive Rückkopplung von der Anode Vl zu ihrem Gitrung, welche im mittleren Bereich ihrer Länge ab- ter vorgesehen, so daß jede Veränderung derKapazl·· gesetzt ist, um ihren Durchmesser für etwa zwei tat des abgeschirmten Kabels zu seiner Umgebung Drittel ihrer Länge zu vergrößern. Der engere Teil eine vernaehlässigbare Änderung des Signals yon der der Bohrung hat einen Durchmesser, der etwa ein Abtastelektrode 12 und somit in dem Äusgangssignal Drittel größer als der Außendurchmesser der elektri- 50 von Vl erzeugt, Vl vergleicht das Signal von der Abschen Baugruppe ist, tastelektrode mit einem Bezugssignal, das von einem Die Abtastelektrode 12 ist .ein dickwandiger ZyHn- Spannungsteiler (Tl-T Z-Td^T 4-TS) an der Energieder, dessen axiale Länge etwa gleich einem Drittel zuführung X-Y abgeleitet wird. Das Signal von der der Länge des Schlittens ist. Der innere Radius ist Anode von Vl hängt so von den relativen Größen gleich dem des engeren Teiles 15 der Bohrung und 55 des Signals von der Abtastelektrode und des Bezugsder Außenradius etwas kleiner als der innere Durch- signals ab,

messer des einen größeren Durchmesser aufweisen- Es wird bemerkt, daß der Transformator Tl, der

den Abschnittes 16 der Bohrung. Der Zylinder ist in die Erregungspotentiale für die ringförmigen Einzeldem Schlitten zwischen zwei dünnen Isolierscheiben elektroden liefert, auch einen Teil des Spannungstei-17,18 gleicher Stärke gelagert und von Isolierringen 60 lers bildet, der das Bezugspotential liefert. Das ist in 19, 20 umschlossen, deren äußere Durchmesser so dem vorliegenden Fall zweckdienlich, aber nicht bemessen sind, daß sie gut in den Abschnitt der Boh- immer geeignet, wenn die Einzelelektroden nicht eine rung mit größerem Durchmesser passen. Die Abtast- genaue Teilung ausmachen, wobei es bevorzugt wird, elektrode 12 wird in ihrer Stellung durch einen Halte- einen völlig von dem das Bezugspotential liefernden zylinder 21 gehalten, der von der Elektrode 12 zu 65 Transformator getrennten Spannungsteiler zu verder Stirnflache des Schlittens reicht und selbst durch wenden,

eine Federscheibe 22, die sich gegen eine Endkappe Das verstärkte Signal von der Anode von Vl wird

23 abstützt, in Stellung gehalten wird. Die Stirnsei- über den Kondensator C 2 an eine Anschlußklemme

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eines Potentiometers R1-R3_:R4 angelegt, dessen andere Anschlußklemme an Masse liegt. R1-R3-R4 führt eine genaue Dämpfung in das Signal ein, und von seinem Abgriff wird ein gedämpftes Signal abgenommen und einem Drei-Stufen-Verstärker zugeführt, dessen erste Stufe eine Pentode V 2 ist und deren beiden anderen Stufen Trioden V 3 und V 4 sind. Das gedämpfte Signal von R 1~R 3-R 4 wird dem Gitter von Vl zugeführt. Über einen Widerstand^, ein Potentiometer R 6 und einen zweiten Widerstand Rl ist eine negative Rückkopplung von der Kathode yon V 4 zu der Kathode von VI vorgesehen, um den Verstärkungsfaktor des Verstärkers zu stabilisieren.

Das Hochspannungspotential wird von einem Vollweg-Gleichrichter-Netzanschlußgerät abgenommen. Die Bezugseinspeisung wird von einem Gegentaktoszillator abgeleitet, der zwei Trioden VS und V 6 besitzt, deren Anoden durch eine abgestimmte Parallelschaltung miteinander verbunden sind. Ein Mittelabgriff an dem Induktor ist mit der positiven Hochspannung verbunden. In der abgestimmten Schaltung erzeugte Schwingungen werden auf eine Sekundärwicklung übertragen, die mit dem Induktor gekoppelt und an den zweiten und zwölften Abgriff des Autotransformators Tl angeschlossen ist.

Das Ausgangssignal von dem Verstärker Vl-V 3- V4 bildet das Eingangssignal für einen phasenempfindlichen Anzeiger, der die Dioden V 7 und V 8 besitzt. Die Anode von Vl ist über einen kleinen Kondensator C 3 mit der Anode von VS, und die Kathode von V 8 über einen ähnlichen Kondensator C 4 mit der Anode von V 6 verbunden. Die Anode von V 1 ist über eine Reihenschaltung mit einem Widerstand RS, einem Potentiometer R 9 und einem Widerstand R10 an die Kathode von V 8 angeschlossen. Ein Wechselstrommeßgerät M mit der Nullstellung in der Mitte der Skala ist zwischen den Abgriff von R9 und die Verbindung zwischen Vl und V 8 geschaltet. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird an dieser Stelle in das Anzeigegerät eingespeist. Während einer Halbwelle leiten Vl und V 8, und während dieser HaIbwelle fließt kein Strom durch das Meßgerät M- Während der anderen Halbwelle leiten Vl und V 8 nicht, und durch das Meßgerät M fließt Strom in einer Richtung, die von der Phasenbeziehung zwischen dem Eingangssignal oder der Eingangsspannung und der Spannung abhängt, welche von der abgestimmten Schaltung erhalten wird, d.h. der Bezugsspannung. Der Anzeiger arbeitet so als ein Halbwellentor.

Der Spannungsteiler, der die Bezugsspannung für die Kathode von Vl liefert, besitzt fünf Autotransformatoren Tl, Tl, T3, T4, TS. Jeder hat zehn enggekoppelte gleiche Wicklungen und elf Abgriffe. Die Endabgriffe von Tl sind mit zwei Kontakten verbunden, welche einen elektrischen Kontakt mit zwei beliebigen, aufeinanderfolgenden Abgriffen von Tl herstellen können, so daß irgendein ausgewähltes Zehntel der von dem Oszillator erzeugten Spannung an Γ 2 angelegt werden kann. Die verbleibenden drei Transformatoren sind in gleicher Weise miteinander in Kaskade geschaltet, so, daß das Potential an Tl in 100 000 Teile unterteilt werden kann und das ausgewählte Potential von einem einzelnen Abgriff an dem fünften Transformator abgenommen werden kann.

Dieses Potential kann selbst das Bezugspotential bilden. In diesem Fall kann die Bewegung der Abtastelektrode nur in einer Richtung von einer Anfangsstellung gemessen werden. Um dieses zu vermeiden, ist ein zweiter oder zusätzlicher Spannungsteiler an die Einspeisung X-Y angeschlossen. Dieser Spannungsteiler besitzt einen ersten enggekoppelten Autotransformator T 6 mit einundzwanzig Abgriffen. Der Mittelabgriff und die zehn Abgriffe an einer Seite sind mit elf Kontaktbolzen verbunden, mit denen ein Kontaktpaar zusammenarbeitet, so daß das Potential zwischen zwei beliebigen aufeinanderfolgenden Kontaktbolzen ausgewählt und zwei Anschlußklemmen eines Zweipolumschalters SWl zugeführt werden kann. In gleicher Weise sind der Mittelabgriff und die anderen zehn Abgriffe an elf weitere Kontaktbolzen angeschlossen, mit denen ein zweites Kontaktpaar, das mit den beiden anderen Anschlußklemmen von SWl verbunden ist, in gleicher Weise zusammenarbeitet. So können die negativen und positiven Zunahmen der Spannung an T 6 durch Umschalten von SW I und Einjustieren der Einstellung

ao des passenden Kontaktpaares ausgewählt werden.

Die beweglichen Kontakte von SWl sind mit den Endabgriffen eines enggekoppelten Autotransformators Tl verbunden, der elf Abgriffe hat, welchen drei weitere gleiche Autotransformatoren T 8, T 9, T10 in Kaskadenschaltung nachfolgen. So kann jede Hälfte des Potentials an dem ersten Transformator des zweiten Spannungsteilers in 100 000 Teile unterteilt werden und das zusätzliche Potential von einem einzelnen Abgriff an T10 abgenommen werden.

Die von den beiden Spannungsteilern T2-T 5 und Τ7-Γ10 ausgewählten Potentiale werden von einem mit einem Mittelabgriff versehenen Autotransformator TU addiert, dessen eine Anschlußklemme mit dem Ausgang von T 5 und dessen Mittelabgriff mit

dem Ausgang von T10 verbunden ist. So erscheint an der anderen Anschlußklemme von TU eine Spannung, welche die algebraische Summe des von dem Hauptspannungsteiler ausgewählten Potentials und des doppelten Potentials ist, das von dem zusätzliehen Spannungsteiler ausgewählt worden ist,

Aus zahlreichen Gründen ist es erwünscht, eine Ausgleichsstellung der Vorrichtung zu erhalten, in welcher das Bezugspotential »Masse« ist, und somit die andere Anschlußklemme von TU mit Masse und der Kathode von Vl verbunden ist.

Es ist im allgemeinen nicht möglich, eine Anordnung herzustellen, wie oben beschrieben, in welcher eine genaue Linearität zwischen der Stellung und dem Potential der Abtastelektrode erhalten wird, Tatsäch-

5P lieh besteht üblicherweise eine Unstimmigkeit zwischen der angegebenen »elektrischen Länge« der Teilungsschaltung, das ist der Bereich der Potentiale, die mittels der Spannungsteiler als Bezugspotentiale ausgewählt werden können, und der mechanischen Länge

der Potentiometerbaugruppe, wie sie durch den Potentialbereich der Abtastelektrode angegeben ist, wenn diese durch das Potentiometer hindurchläuft. Die mechanische Länge des Potentiometers ist jedoch nicht leicht einstellbar, und infolgedessen wird eine

6p Korrektur an der Teilungsschaltung vorgenommen.

Wie oben dargelegt worden ist, kann das PotentiO' meter so eingestellt sein, daß eine Kurve des Potentials der Abtastelektrode über ihrer linearen Stellung entlang den aufeinanderfolgenden Einzelelektroden

eine gerade Linie ist. Diese Linie schneidet die Achse der linearen Stellung in der Mitte des Weges der Abtastelektrode. Wenn sich somit die Abtastelektrode in ihrer Mittelstellung befindet, ist kein Potentialunter-

schied zwischen der Abtastelektrode und dem Mittelabgriff von Tl vorhanden. Wenn jedoch die Abtastelektrode aus der Mittelstellung verschoben wird, besteht ein Unterschied zwischen den beiden Potentialen, der von der Verlagerung der Abtastelektrode abhängt.

Diese Änderung im Potentialunterschied schafft ein verhältnismäßig einfaches Verfahren zur Berichtigung irgendeiner Abweichung zwischen der effektiven »elektrischen Länge« der Teilungsschaltung und der mechanischen Länge des Potentiometers, weil von dem Mittelabgriff von Tl ein Korrektursignal abgenommen und zu dem Signal oder Potential der Abtastelektrode hinzugefügt oder von diesem abgezogen werden kann. Dies ändert den Anstieg der Ausgangskurve und infolgedessen das Maß der Änderung des Potentials von der Abtastelektrode, wenn diese sich an dem Potentiometer entlangbewegt.

Wenn die mechanische Länge des Potentiometers größer als die effektive elektrische Länge der Teilungsschaltung ist, kann die Rückspeisung von dem Mittelabgriff von Tl dem Signal der Abtastelektrode hinzugefügt oder von diesem Signal abgezogen werden, indem:

: a) ein Widerstand in Reihe mit einem Potentiometer zwischen den Mittelabgriff und die Masse-. leitung geschaltet wird und der Abgriff dieses Potentiometers, wie in Fig. 3 gezeigt, mit Rl verbunden wird;

¹ b) ein Umsteuerungstransformator in Reihe mit einem kleinen Kondensator zwischen den Mittelabgriff und das Gitter von Vl geschaltet wird; c) das Signal von dem Mittelabgriff an eine geeignete Stelle an R2-R3-R4 über einen Widerstand, dessen Widerstandswert hoch genug ist, um eine Belastung von Vl zn verhindern, angelegt wird.

Wenn die mechanische Länge des Potentiometers kleiner als die effektive elektrische Länge der Teilungsschaltung ist, würden die Verfahren ä) und c) ,Umsteuerungstransformatoren einbeziehen und der Umsteuerungstransformator in b) würde fortgelassen werden.

In der Praxis wird der Anstieg der Ausgangskurve durch wiederholten Vergleich der tatsächlichen Verlagerung der Abtastelektrode, wie durch eine Stange üblicher Länge bestimmt, mit der Verlagerung eingestellt, die elektrisch angezeigt wird. Diese Vergleiche werden durchgeführt, bis die beiden Verlagerungen übereinstimmen. Die Empfindlichkeit des Meßgerätes wird dann auf den erwünschten Wert eingestellt, indem die Einstellung von R 5 justiert wird. Das ermöglicht eine unmittelbare Unterteilung des Meßgerätes in Größeneinheiten der Verlagerung. Wenn der gesamte Skalenausschlag des Meßgerätes einer Verlagerung von 25,4XlO^-4 mm der Abtastelektrode entspricht, kann der Ausschlag üblicherweise bis zu einem Prozent abgelesen werden, so daß kleine Verlagerungen der Abtastelektrode gemessen werden können.

Wie vorher erwähnt, ist es allgemein nicht möglich, eine genau gleichförmige Teilung zwischen den Potentiometerelementen zu erhalten. Das führt zu der Nichtlinearität in der Ausgangskurve. Teilweise kann dieses durch Überlagerung eines zusätzlichen Potentials an irgendeinem oder mehreren der wechselspannungsgespeisten Einzelelektroden berichtigt werden, um deren Potentiale anzuheben oder zu vermindern. Dies kann durchgeführt werden, indem in Reihe mit jeder Leitung zu den Einzelelektroden eine Wicklung auf einem Hilfstransformator einbezogen wird, der von dem Oszillator erregt wird. Diese Wicklungen können mit den Abgriffen an dem Ringtransformator in Reihe geschaltet werden.

Die Wirkung der beiden Spannungsteiler und des ίο Autotransformators TU, dessen.'Ende an Masse liegt, liegt darin, daß das Potential des Mittelabgriffes von Tl bezüglich der Masse um einen Wert geändert wird, der von den Einstellungen von Γ2-Γ10 abhängt. Die Kathode von Vl wird mit einem Punkt verbunden, dessen Potential zwischen diesen beiden Werten liegt, so daß die Einstellung dieser Potentiometer das Bezugspotential justiert. Dann wird die Stellung des. Maschinenelements eingestellt, bis der Zeiger des Meßgerätes an dem Mittelpunkt der Skala

ao liegt. Dann ist das Maschinenelement genau eingestellt. Sollte es sich nach dieser Einstellung bewegen, gibt der Zeiger des Meßgerätes M die Richtung und das Ausmaß der Bewegung an. Nach Wunsch kann dann die Stellung des Maschinenelements entweder von Hand oder automatisch justiert werden, um es in die ursprünglich ausgewählte Stellung zurückzuführen. Gemäß einer Abwandlung kann das Ausgangssignal auf Grund des Unterschiedes zwischen dem Bezugspotential und dem Potential der Abtastelektrode verwendet werden, um das Maschinenelement über ein Servosystem automatisch zurückzustellen. Als eine geringe Abänderung letzterer Anordnung könnte das Differenzausgangssignal zur Einstellung einer Überwachungsvorrichtung, wie eines wandernden Mikroskops, verwendet werden.

Eine vereinfachte Ausführung des kapazitiven Meßumformers verwendet nicht die parallelen Führungsstangen. Bei dieser Ausführung ist die Abtastelektrodenbaugruppe, die aus der Abtastelektrode, flankiert von ihren beiden Schutzringen, besteht, in einem zylindrischen Gehäuse gelagert, dessen Enden durch kreisförmige Platten geschlossen sind. Diese Platten besitzen in ihrer Mitte Öffnungen, welche auf die Elektrodenbaugruppe aufgeschoben sind, wobei Buchsen aus Isolationsmaterial zwischen der Elektrodenbaugruppe und dem Gehäuse der Abtastelektrode angeordnet sind. Da die Elektrodenbaugruppe sehr hart ist und auf einem gleichmäßigen Durchmesser geschliffen und geläppt ist, ist sie für die Ab-Stützung der Abtastelektrode, ihrer Schutzringe und der obenerwähnten Buchsen gut geeignet. Der kapazitive Meßumformer, der in F i g. 4 im Schnitt gezeigt ist, ist tatsächlich eine umgekehrte Ausführung des in den F i g. 1 und 2 gezeigten, da bei ihm eine Abtastelektrode 41 in eine Welle 42 eingelassen ist, die mit dem Maschinenelement verbunden ist. Obgleich sie nicht in F i g. 4 gezeigt sind, sind Schutzringelektroden 43, 44 vorgesehen, und zwar eine an jeder Seite der Abtastelektrode 41. Diese Welle bewegt sich in einem Körper 45, wobei sie sich mit Abstand in den Bohrungen an den Enden des Körpers befindet. Innerhalb des Körpers sind sechs Statorelemente, wie 46, vorgesehen, die voneinander isoliert und an sich aufeinanderfolgend ändernde Wechselstrompotentiale in ähnlicher Weise angeschlossen sind, wie bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Potentiometer bzw. Meßumformer. Diese Elemente sind von der Innenseite des Körpers durch Abstandshalter, wie 47, ge-

trennt und werden von einer Federscheibe 48 an ihrer Stelle gehalten.

Eine typische 25,4 cm lange Potentiometereinheit hat sechs gleiche Zylinder, jeweils 6,34 cm lang, mit 0,127 mm Epoxyd-Kunstharz-gebundenen Glasfasern an einem Ende. Der Innendurchmesser beträgt 3,17 cm und die Wandstärke 4,7 mm. Jeder hat an seiner Außenseite zwei Ringe aus Isoliermaterial, welche 2,37 mm dick sind. Diese Ringe bilden den Abstandshalter 45. Sie sind im Inneren des Körpers 43 angeordnet, welcher als 38 cm langer Zylinder ausgeführt ist. Die Welle hat einen Durchmesser von 19 mm und einen mittleren, 6,34 cm langen Abschnitt mit einer 0,126 mm Isolation an 3,17 cm Schutzringen auf jeder Seite. Ein Anschluß der Abtastelektrode 41 wird durch ein koaxiales Kabel durch die Mitte der Welle hergestellt. Die Anschlüsse der sechs Statorzylinder sind an eine Anschlußbuchse angeschlossen, die auf den Körper 43 aufgesetzt ist.

Die in F i g. 5 gezeigte Schaltung ist ähnlich, aber etwas einfacher als die gemäß Fig. 3. Die Kapazität zwischen der Abtastelektrode und der Statorbaugruppe beträgt etwa 6 pF und die Kapazität gegenüber Masse, einschließlich des Koaxialkabels, liegt in der Größenordnung von 100 bis 200 pF. Wenn daher die Bezugsspannung 20VoIt bei 3000 Hertz ist und die Fehlerverlagerung der Einheit 25,3 X 10~⁵ mm groß ist, beträgt das Fehlersignal der Einheit etwa 20X10-6 Volt.

Das Kabel ist an das Gitter der Pentode FIl angeschlossen, welche einen Verstärker F12-F13 mit einer negativen Rückkopplung speist, so daß ein Verstärker mit dem Verstärkungsverhältnis 1 vorliegt. Der Nullzeiger ist ein Transistor-Halbwellen-Zerhacker 14, der durch das Bezugssignal von dem Oszillator F15 geschaltet wird. Dieser Zerhacker überbrückt ein Meßgerät M bei abwechselnden Halbwellen, was eine stabile Abgleichstellung ergibt. Der Spannungsteiler ist eine Einheit, die Π-Γ5 in F i g. 3 ähnlich ist.

Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der vorstehenden Beispiele beschränkt. Beispielsweise können die wechselspannungsgespeisten Einzelelektroden andere als zylindrische Form haben, sie können z. B. flache Metallstücke oder eine leitende Schicht sein, die auf irgendein stabiles Grundmaterial, wie Glas oder Quarz aufgebracht ist. Wenn die Einzelelektroden flach sind würde üblicherweise auch die Abtastelektrode flach ausgeführt sein.

Die Einzelelektroden können zur Bildung einer Linie in irgendeiner Form angeordnet werden, beispielsweise können flache Elektroden so angeordnet sein, daß sie auf einer kreisförmigen Linie liegen. Hierdurch wird ermöglicht, daß ein Glied auf einer kreisförmigen Schiene eingestellt wird. Der Meßumformer braucht nur zwei Elektroden aufzuweisen, die durch eine Abtastelektrode abgetastet werden.

Eine andere Möglichkeit für die verwendeten Schaltungen liegt in der völligen Ausstattung mit Transistoren statt der Verwendung von Vakuumröhren. Das führt zu den Vorteilen einer Gewichtsund Raumverminderung sowie zur Erhöhung der Unempfindlichkeit der Ausrüstung gegen Stöße.

Eine andere Möglichkeit zur Einführung einer Vereinfachung liegt in der Verwendung eines einfachen Transformators für die Vergleichseinrichtung. In diesem Fall wird die Primärwicklung des Vergleichstransformators zwischen die Abtastelektrode des Meßumformers und den Ausgangsabgriff des Spannungsteilers geschaltet. Sowohl der Meßumformer (kapazitive Potentiometer) als auch der Spannungsteiler werden an ihren Enden mit Wechselstrom gespeist. Das Differenzausgangssignal wird von der Sekundärwicklung des obenerwähnten Transformators abgenommen. Somit ist diese Anordnung eine Wechselstrombrücke, wobei die Primärwicklung eines Transformators an ihrer Diagonalen liegt und das

ίο Ausgangssignal von der Sekundärwicklung den Verstärker und die Anzeigeausrüstung speist. An dieser Stelle wird bemerkt, daß die Schaltungen, welche den kapazitiven Meßumformer verwenden, tatsächlich auch Wechselstrombrücken sind.

15' Wenn der Meßumformer zur Überwachung der Stellung eines Elements, das über eine große Länge, beispielsweise 2,5 m eingestellt werden kann, verwendet wird, könnten schließlich die Einzelelektroden des kapazitiven Meßumformers an einer Seite der gewünschten Einstellung, anders als die nahe an dieser Einstellung gelegenen Einzelelektroden, alle an ein Potential angeschlossen werden, wobei eine ähnliche Anordnung an der anderen Seite getroffen werden kann. Dies könnte bedeuten, daß für ein verhältnismäßig langes Potentiometer eine höhergradige Genauigkeit erreichbar ist, als möglich ist, wenn alle Einzelelektroden an verschiedene Potentiale angeschlossen würden. In diesem Fall würde die Art des Differenzpotentials, wenn die Abtastelektrode aus der beabsichtigten Einstellung verrückt ist, die Richtung anzeigen, in welche die Abtastelektrode bewegt wer?· den muß, um diese Einstellung wieder einzunehmen.

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Meßumformer mit einer Reihe von feststehenden, Abstand voneinander besitzenden, wechselspannungsgespeisten Einzelelektroden, in deren elektrischem Feld eine Abtastelektrode verschiebbar angeordnet und kapazitiv an diese angekoppelt ist, so daß sie bei einer Verschiebung eine sich gegenüber einem Bezugspotential ändernde Ausgangsspannung liefert, die ihrer relativen Stellung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß den elektrisch voneinander isoliert angeordneten Einzelelektroden (1) aufeinanderfolgend unterschiedliche Spannungen zugeführt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Einzelelektroden (1) an aufeinanderfolgende Abgriffe eines Transformators (Π) angeschlossen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mehrere Impedanzen (Tl-Τ2-Γ3-Γ4-Τ5), die zur Einstellung des Bezugspotentials als Spannungsteiler hintereinandergeschaltet sind. .

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelektroden (1) nebeneinander angeordnete flache Metallplatten sind und die ihnen gegenüber angeordnete Abtastelektrode (12) eine flache . Platte ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Einzelelektroden (1) Zylinder aus leitendem Werkstoff sind, welche dicht nebeneinander geradlinig angeordnet sind, und daß die Abtastelektrode (12) ein Zylinder aus leitendem

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Material ist, dessen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser der anderen Zylinder (9) ist, wobei die Abtastelektrode (12) konzentrisch zu den und außerhalb der Einzelelektroden (1) liegt. ' ■ ■'

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Zylinder bildenden Einzelelektroden (1) Stirnseite an Stirnseite auf der Außenfläche einer Welle (3) angeordnet sind, wobei isolierende Abstandsstücke (2) zwischen benachbarten Zylindern und eine isolierschicht (4) auf der Außenfläche der Welle (3) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastelektrode (12) in einer Ausnehmung in einem Gehäuse angeordnet ist, das längs parallel zu der Welle (3) verlaufenden Führungsstangen (13,14) verschiebbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastelektrode (12) auf der einen Seite durch das Gehäuse und auf der anderen Seite durch einen als Halteteil für die Abtastelektrode dienenden Zylinder (21), die beide von ihr isoliert sind, in genauer Lage gehalten wird,

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelektroden (1) Zylinder aus leitendem Werkstoff und dicht nebeneinander geradlinig angeordnet sind, und daß die Abtastelektrode (12) ein Zylinder aus leitendem Werkstoff mit einem kleineren Außendurchmesser als der Innendurchmesser (16) der anderen Zylinder ist, wobei die Abtastelektrode konzentrisch innerhalb der Einzelelektroden angeordnet ist.
.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mit einer oder mehreren Einzelelektroden (1) verbundene Schaltelemente zur Überlagerung einer zusätzlichen Spannung für die Korrektur des Spannungsverlaufes längs der Reihe der Einzelelektroden.

11, Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente für die Überlagerung der zusätzlichen Spannung jeweils aus einer Wicklung eines Transformators bestehen, <iie mit dem Anschluß der betreffenden Einzelelektrode in Reihe geschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr, 872 643.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen