DE1252915B - Kapazitiver Messumformer - Google Patents

Description

deutsches wfWQssb Patentamt

AUSLEGESCHRIFT Deutsche Kl.: 42 d -1/12

Nummer: 1252 915

Aktenzeichen: S 89178IX b/42 d

^ 252 913 Anmeldetag: 22. Januar 1964

Auslegetag: 26. Oktober 1967

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Meßumformer mit einer Mehrzahl von in einer Reihe angeordneten Einzelelektroden, mit einer Versorgungseinrichtung zum Anlegen einer Wechselspannung an die Reihe von Einzelelektroden, ferner mit einer relativ zur Elektrodenreihe bewegbaren Interpolationselektrode, die durch das elektrische Feld der Einzelelektroden mit einer der Relativstellung der Interpolationselektrode zu den Einzelelektroden entsprechenden Spannung kapazitiv beaufschlagt wird, und mit Schaltmitteln zum Verändern der entlang der Elektrodenreihe herrschenden Spannungsverteilung.

Meßumformer haben allgemein die Aufgabe, eine physikalische Größe, hier z. B. eine Lageänderung, in eine andere physikalische Größe, hier z. B. eine Spannungsänderung, umzuwandeln.

Es sind Vorrichtungen zum Messen der Abstandsänderung von Elementen durch Messung der Änderung der Kapazität bekannt, bei denen eine aus meh- ao reren gleich großen und auf gleichem Potential liegenden Flächen bestehende Elektrode ein elektrisches Feld erzeugt, wobei eine bei Verschieben einer der genannten Elektrode gegenüberliegenden Gegenelektrode in Richtung ihrer Flächen eine Kapazitäts- as änderung erfolgt, die in einer Brückenschaltung oder in einem Schwingkreis zur Anzeige gebracht wird. Bei derartigen Vorrichtungen muß jedoch ein Kompromiß geschlossen werden zwischen der Empfindlichkeit des Meßumformers und der Größe des Meßbereichs, da derartige Vorrichtungen einerseits mehrdeutig und andererseits nur in bestimmten Bereichen mit größerer Empfindlichkeit arbeiten können.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, bei äußerst einfachem Aufbau des durch die Erfindung vorgeschlagenen Meßumformers eine Verlagerung des Meßbereichs bei gleichbleibend großer Empfindlichkeit des Meßumformers zu ermöglichen.

Dies erreicht die Erfindung dadurch, daß die Reihe von Einzelelektfoden zwei auf verschiedenem Potential liegende Gruppen jeweils derart elektrisch leitend verbundene Elektroden enthält, daß nur zwischen den nebeneinanderliegenden beiden Elektroden der Elektrodengruppen eine Potentialdifferenz auftritt, und daß Schaltmittel zum Trennen und Schließen der Verbindungen zwischen den Einzelelektroden untereinander oder zwischen den Einzelelektroden und der Spannungsquelle derart vorgesehen sind, daß der Ort der Potentialdifferenz entlang der Elektrodenreihe verschiebbar ist.

Die auf diese Weise im Bereich zwischen den beiden nebeneinanderliegenden Elektroden benach-Kapazitiver Meßumformer

Anmelder:

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

Vertreter:

Dr.-Ing. Κ. Boehmert

und Dipl.-Ing. A. Boehmert, Patentanwälte,
Bremen, Feldstr. 24

Als Erfinder benannt:
Caleb Frederick Wolfendale,
Great Brickhill, Buckinghamshire
(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 23. Januar 1963 (2834) - -

barter und auf unterschiedlichem Potential befindlicher Elektrodengruppen aufgebaute Potentialdifferenz sichert also eine erhebliche Empfindlichkeit des Meßumformers, wenn die Interpolationselektrode in diesem Bereich bewegt wird.

Zur Lageänderung des Meßbereichs ist es bei der Erfindung also nur notwendig, die Aufteilung der zu Gruppen geschalteten Einzelelektroden zu ändern. Die Empfindlichkeit des Meßumformers wird bei einer Lageänderung der Potentialdifferenz und damit des Meßbereichs dabei nicht geändert.

Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. In diesen ist

F i g. 1 eine schematische Darstellung, die die allgemeine Schaltungsanordnung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt,

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Fig. la eine graphische Darstellung, die das mit der Schaltungsanordnung von Fig. 1 erhaltene Signal zeigt,

F i g. 2 ein Ausschnitt, der eine Abwandlung der Sciialiungsanordnung von F i g. 1 zeigt, und

F i g. 3 ein entsprechender Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Der Meßumformer besteht in der gezeigten Form aus einer Reihe von Einzelelektroden 10 a, 10 b, 10 c,

10 d, 10 e, 10/. Wenn der Meßumformer auf eine Kreisbewegung ansprechen oder diese ausführen soll, können die Einzelelektroden kreisbogenförmig, beispielsweise wie Segmente einer Scheibe oder eines Ringes, angeordnet sein. Wenn der Meßumformer hingegen auf eine Linearbewegung ansprechen soll, ist es zweckmäßig, die Einzelelektroden als eine Reihe von kurzen metallischen Zylindern mit kreisförmigem oder anderem Querschnitt auszubilden und Ende an Ende hintereinander anzuordnen, so daß eine stangen- oder stabförmige Anordnung entsteht. Zur Erleichterung der Beschreibung wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel davon ausgegangen, daß eine Linearbewegung erfolgt. Eine vorzugsweise zylindrisch ausgebildete Interpolationselektrode

11 wirkt mit den Einzelelektroden zusammen, indem sie die Reihe der Einzelelektroden umgibt und an der Oberfläche der Einzelelektroden 10 entlang, jedoch mit Abstand von diesen verschiebbar geführt ist. Mit der Interpolationselektrode 11 können Schutz- oder Abschirmelektroden verbunden sein. Die Einzelelektroden sind gegeneinander und gegen die Interpolationselektrode elektrisch isoliert.

Wenn an zwei benachbarte Einzelelektroden der Reihe eine Wechselspannung angelegt wird, dann entsteht zwischen den Elektroden ein elektrisches Wechselfeld, so daß in der Interpolationselektrode, wenn diese in das Feld gelangt, eine Spannung induziert wird, die von der Lage zu den beiden Einzelelektroden abhängig ist. In einem älteren Vorschlag des Erfinders ist ein System dieser Art beschrieben, bei dem an die aufeinanderfolgenden Einzelelektroden der Reihe nach ansteigende Potentiale gelegt werden, so daß im wesentlichen entlang der gesamten Länge der Elektrodenreihe ein Feld vorhanden ist. Mit Nachweisvorrichtungen, die auf die an der Interpolationselektrode auftretende Spannung ansprechen, ist es möglich, eine Anzeige über die Stellung der Interpolationselektrode zu den Einzelelektroden der Reihe zu erhalten. Die induzierte Spannung kann mittels einer Brücken- oder ähnlichen Nullpunktschaltung sehr genau bestimmt und angezeigt werden. Aber auch für eine Nachführsteuerung kann die Spannung an den Einzelelektroden in bezug auf ein Bezugspotential sehr genau eingestellt werden, wobei dann die Interpolationselektrode so lange die Reihe der Einzelelektroden entlang bewegt wird, bis die induzierte Spannung im Verhältnis zu dem Bezugspotential Null ist. Die an der Interpolationselektrode induzierte Spannung kann auch direkt zur Anzeige der Stellung verwendet werden, aber ein derartiges Verfahren ist natürlich weniger genau als die Null-Methode.

Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung wird die weniger zur Verfügung stehende Wechselspannung tatsächlich nur zwischen wenigen Einzelelektroden der Reihe angelegt. Daher wird bei einer gegebenen, an die Einzelelektroden angelegten Wechselspannung die Feldstärke und somit die in der

Interpolationselektrode induzierte Spannung erhöht. Dies ergibt eine größere Empfindlichkeit und Genauigkeit des Systems. Um die Einzelelektroden der Reihe in der gewünschten Weise an die Wechselspannung anschließen zu können, sind Schaltmittel vorgesehen, die die Spannungsverteilung entlang der Reihe der Einzelelektroden — soweit nötig — zu ändern gestatten. Vorzugsweise erhalten nur zwei benachbarte Elektroden eine Wechselspannung gegeneinander, und um mit der Interpolationselektrode eine Messung über die gesamte Länge der Elektrodenreihe durchführen zu können, sind Schaltvorrichtungen vorgesehen, die die Einzelelektroden, an die die Spannung angelegt werden soll, auszuwählen gestatten.

Eine derartige Anordnung ist bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet. Wie man sieht, ist jede der Einzelelektroden IOa bis 10/ jeweils mit dem beweglichen Kontakt eines einfachen

ao Umschalters IIa bis 11/ verbunden. Die festen Kontakte des Schalters sind mit den Anschlüssen einer Wechselspannungsquelle 12 verbunden. In die Zuführungsleitung zu den Einzelelektroden ist jeweils eine Sekundärwicklung 19 a bis 19/ eines Transformators angeordnet, dessen Primärwicklung 19g auch an die Stromquelle 12 angeschlossen ist. Eine solche Anordnung kann nach einem anderen älteren Vorschlag des Erfinders dazu dienen, jeweils eine individuelle Korrektur der an die Einzelelektroden der Reihe angelegten Spannungen zu ermöglichen. Durch Einstellen der Schalter IIa bis 11/ wird die gesamte Spannung der Stromquelle 12 zwischen zwei benachbarten Einzelelektroden angelegt. Bei den in F i g. 1 gezeigten Schalterstellungen liegen die Einzelelektroden 10 a, 10 b und IOc alle auf einem ersten Potential und die übrigen Einzelelektroden 10 d, 10 e und 10/ auf einem zweiten Potential, während zwischen den Einzelelektroden 10 c und 10 d das größte Feld existiert, in dem bei dieser Stellung der Schalter llabisll/ die Interpolationselektrodell liegen soll. Die in der Interpolationselektrode 11 induzierte Spannung wird mit einem von der Stromquellenspannung abgeleiteten Bezugspotential verglichen. Daher sind Vorrichtungen vorgesehen, durch die ein Bezugspotential mit einem hohen Grad an Genauigkeit erzeugt werden kann. Für diesen Zweck gibt es eine Vielzahl von geeigneten Vorrichtungen.

Eine zweckmäßige Anordnung, die aus einer Anzahl von Spannungsteilerstufen 14,15,16 besteht, ist in vereinfachter Form in Fig. 1 dargestellt. Die Spannungsteilerstufen 14 können beispielsweise aus einem mit Anzapfungen versehenen Wirk- oder Blindwiderstand bestehen, wobei zwischen den einzelnen Anzapfungen eine bestimmte Spannung auftritt. Die Spannungsteilerstufe 15 entspricht der Stufe 14, an ihren Enden liegt jedoch nur eine Spannung, die einen Bruchteil der an den Spannungsteilerstufen 14 auftretenden Spannung ausmacht. Sie besitzt daher entsprechend feinere Stufen. Wenn, wie im vorliegenden Fall, an jedem Spannungsteiler zehn Stufen vorgesehen sind, entstehen Dekadenstufen, wobei der mit jedem Impedanzelement verbundene Schalter Stufen von Vio der an der unmittelbar vorhergehenden Stufe liegenden Spannung schaltet. Um eine Bezugsspannung mit der gewünschten Genauigkeit zu erzeugen, können Stufen in der erforderlichen Anzahl vorgesehen werden. Die letzte Stufe 16 besitzt einen Anzapfungspunkt 17, der das Bezugspotential liefert.

Claims (4)

Die zwischen der Interpolationselektrode 11 und dem Bezugspotential 17 vorhandene Spannung wird zu einer Verstärkungs- und Vergleichsvorrichtung 18 geleitet. Die Ausgangsspannung der Vorrichtung 18 kann zur Anzeige der Stellung der Interpolationselektrode 11 verwendet werden. Es kann aber auch ein Null-System verwendet werden, wobei die Vorrichtung 18 dann entweder eine Bewegung der Interpolationselektrode 11 gegenüber der Reihe der Einzelelektroden bis in die Null-Stellung steuert, um so eine entsprechende Lagesteuerung vorzunehmen, oder die Spannung an dem Bezugspunkt 17 für eine Stellungsanzeige nachstellt. Die Einzelelektroden und die Interpolationselektrode können selbstverständlich an mechanischen Teilen befestigt sein, deren relative Stelluns man messen oder steuern will. Der Spannungsverlauf, der an der Interpolationselektrode 11 in Abhängigkeit von der Stellung zu der Reihe der Einzelelektroden induziert wird, ist in Fig. la eingezeichnet. Wenn die Interpolationselektrode neben Einzelelektroden steht, die, wie z. B. 10 a, 106, das gleiche Potential besitzen, ist die induzierte Spannung unabhängig von der Lage zu den Elektroden. Wenn sich jedoch die Interpolationselektrode durch das Feld bewegt, das von benachbarten Einzelelektroden mit verschiedenen Potentialen herrührt, dann ergibt sich eine deutliche Veränderung. Als Folge der schnellen Veränderung der induzierten Spannung, die bei dem vorstehend beschriebenen System auftritt, ist die gelieferte Ausgangsspannung entsprechend stärker und genauer, als dies sonst der Fall sein würde. Um über die gesamte Länge der Reihe der Einzelelektroden messen zu können, sind Vorrichtungen zur Koordinierung der Schalter Ilfl bis 11/ vorgesehen, die die Spannung jeweils auch zwischen die anderen Elektroden anzulegen gestatten. Die Betätigung der Schalter IIa bis 11/ ermöglicht dabei tatsächlich auch eine Grobkontrolle der Stellung oder Anzeige. Durch geeignete Wahl der Länge der Interpolationselektrode 11 im Verhältnis zur Länge der Einzelelektroden kann der lineare Teil der in Fig. 1 a eingezeichneten Kurve vorteilhaft so ausgebildet werden, daß er verhältnismäßig groß gegen die Länge der Einzelelektroden selbst ist, wodurch alle Ungenauigkeiten beim Einschalten, d. h. beim Betätigen der Schalter IIa bis 11/ unterdrückt werden. Die Länge der Interpolationselektrode soll zweckmäßig ungefähr zweimal so groß wie die Länge einer Einzelelektrode in axialer Richtung sein. Bei der Herstellung der Reihe der Einzelelektroden 10 können in der Praxis leicht Unvollkommenheiten im Abstand oder in der Teilung auftreten, die ihrerseits Anlaß zu Abweichungen von der Linearität entlang der Reihe der Einzelelektroden geben können. Für diese kleinen Abweichungen lassen sich Korrekturen ausführen, und eine hierzu geeignete Vorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt. Diese enthält einen Transformator 19 mit einer Primärwicklung 19 p und einer Reihe von Sekundärwicklungen 19« bis 19/, die jeweils in die Verbindungen zu den einzelnen Elementen IOa bis 10/ eingeschaltet sind. Die Primärwicklung 19 p wird von den Klemmen der Stromquelle 12 gespeist, und die Sekundärwicklungen werden einzeln so eingestellt, daß sie die entsprechenden Korrekturspannungen für die Einzelelektroden liefern. F i g. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für das Schalten der Spannung zwischen den Einzelelektroden IOfl bis 10/. Hierbei wird eine feste Kontaktreihe 20 verwendet, die ungefähr zweimal so viel Kontakte besitzt wie Einzelelektroden vorhanden sind. Jede Einzelelektrode besitzt einen beweglichen Kontakt 21 a bis 21 /, und diese Kontakte können als eine Einheit über die feste Kontaktreihe 20 bewegt werden. Die feste Kontaktreihe 20 ist in zwei Gruppen unterteilt, die mit den Anschlüssen der Stromquelle 12 verbunden sind. Wenn die beweglichen Kontakte 21a bis 21/ über die feste Kontaktreihe bewegt werden, treten nacheinander zwischen den einzelnen benachbarten Einzelelektroden des Meßwandlers andere Spannungen auf. Bei einer solchen Anordnung ist es zweckmäßig, wenn sich die bewegliche Interpolationselektrode 11 mit den beweglichen Kontakten 21 a bis 21 / zusammen bewegt. Eine andere Art der Schaltung ist in F i g. 3 dargestellt. In diesem Fall ist eine Schaltung vorgesehen, die in Reihe angeordnete Schalter 22 besitzt, die zwischen benachbarten Einzelelektroden 10 a usw. eingeschaltet sind. Wenn einer der Schalter 22 geöffnet wird, liegt die Spannung der Stromquelle an dem zugehörigen und gewählten Paar von Einzelelektroden. Patentansprüche:

1. Kapazitiver Meßumformer mit einer Mehrzahl von in einer Reihe angeordneten Einzelelektroden, mit einer Versorgungseinrichtung zum Anlegen einer Wechselspannung an die Reihe von Einzelelektroden, ferner mit einer relativ zur Elektrodenreihe bewegbaren Interpolationselektrode, die durch das elektrische Feld der Einzelelektroden mit einer der Relativstellung der Interpolationselektrode zu den Einzelelektroden entsprechenden Spannung kapazitiv beaufschlagt wird, und mit Schaltmitteln zum Verändern der entlang der Elektrodenreihe herrschenden Spannungsverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von Einzelelektroden (10 a bis 10/) zwei auf verschiedenem Potential liegende GiTippen (10 a, 10 b, 10 c und 10 d, 10 e, 10/) jeweils derart elektrisch leitend verbundene Elektroden enthält, daß nur zwischen den nebeneinanderliegenden beiden Elektroden (10 c, 10 d) der Elektrodengruppen eine Potentialdifferenz auftritt, und daß Schaltmittel (IIa bis 11/; 21a bis 21/) zum Trennen und Schließen der Verbindungen zwischen den Einzelelektroden untereinander oder zwischen den Einzelelektroden und der Spannungsquelle (12) derart vorgesehen sind, daß der Ort der Potentialdifferenz entlang der Elektrodenreihe verschiebbar ist.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelektroden (10 a bis 10/) an einen oder mehrere Spannungsbegriffe einer oder mehrerer Spannungsquellen (12) anschließbar sind.

3. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel aus mit einer festen Kontaktreihe (20) kontaktgebenden, entlang der festen Kontakte beweglichen Reihe entsprechender Kontakte (21a bis 21/) bestehen und daß die beweglichen Kontakte (21a bis 21/) jeweils mit den Einzelelektroden (10 a bis 10/) ver-

bunden sind und die festen Kontakte (20) zu Grappen zusammengeschlossen an verschiedene Potentiale angelegt sind.

4. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Elektroden (10a, 10 b; 10 b, IOc usw.) verbindende Schalter (22) vorgesehen sind, wobei die Gruppenauftei-

lung durch öffnen des zwischen den entsprechenden beiden Einzelelektroden (10 c, 10 d) befindlichen Schalters erfolgt, und daß die gebildeten Elektrodengruppen zur Erzeugung der Potentialdifferenz zwischen den nebeneinanderliegenden Elektrodengruppen an ein unterschiedliches Potential angelegt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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