DE1278744B - Kapazitiver Messumformer - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOId

Deutsche Kl.: 42 d-1/12

Nummer: 1278 744

Aktenzeichen: P 12 78 744.9-52 (G 29725)

Anmeldetag: 20. Mai 1960

Auslegetag: 26. September 1968

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Meßumformer mit einem aus einer Elektrode und Erde gebildeten Kondensator.

Es sind bereits Anordnungen zum Messen der Länge oder Längenveränderungen eines Gegenstandes bekannt, die eine relative Bewegung von Kondensatorplatten und somit eine Kapazitätsänderung der Kondensatoren bewirken. Die Schaltungsanordnungen zum Messen dieser Änderungen bestehen aus einer herkömmlichen Brückenanordnung mit dem Drehkondensator in einem Brückenzweig. Eine Wechselspannung wird an ein Paar diagonal gegenüberliegender Klemmen der Brücken gelegt, während am anderen Klemmenpaar die Ausgangsspannung gemessen wird. Durch Verändern eines zweiten Drehkondensators in einem anderen Brückenzweig wird die Ausgangsspannung auf Null eingestellt.

Da in diesen Schaltungsanordnungen keine Gleichrichter vorgesehen sind, sind bei jedem Kondensator die Strompfade bei Aufladung und Entladung dieselben, und die Zeitkonstanten sind ebenfalls gleich. Jeder Kondensator wird während einer Halbperiode der Eingangsspannung aufgeladen, er entlädt sich, wenn die Eingangsspannung auf Null fällt, und lädt sich während der folgenden Halbperiode mit entgegengesetzter Polarität wieder auf. Es besteht keine Möglichkeit, in einem der Kondensatoren eine im wesentlichen konstante Ladung aufzubauen. Die angelegte Spannung hat die gleiche Wellenform wie die Eingangsspannung und kann keinen im wesentlichen konstanten Wert erreichen, der jenem des Drehkondensators entspricht.

Zum Stand der Technik gehören ferner Anordnungen zum Messen der Veränderung einer physikalischen Größe durch eine entsprechende Veränderung der elektrischen Eigenschaften eines Kondensatormikrofons. Auch hier werden Kapazitätsänderungen durch einen Brückenkreis gemessen, der in diesem Falle mit pulsierendem Gleichstrom oder mit Wechselstrom versorgt wird.

Da der Brückenkreis keine Gleichrichter aufweist, ist der Stromweg beim Aufladen und Entladen derselbe, und es besteht keine Möglichkeit, an einem der Bauteile eine gleichbleibende Ladung zu erzeugen.

Ferner ist eine Anordnung zum Messen von Kapazitätsänderungen bekannt, die in einem Drehkondensator durch die Bewegung eines Gegenstandes — beispielsweise einer Turbinenschaufel — verursacht werden. Die Schaltungsanordnung zum Messen dieser Veränderungen umfaßt wiederum eine Kapazitätsbrücke, an der alle Kondensatoren in den Halbperioden der Spannung ungehindert abwechselnd Kapazitiver Meßumformer

Anmelder:

George William Gurry, Leyton, London;

Bertram McCarthy,

Woodford Green, Essex (Großbritannien)

Vertreter:
Dipl.-Ing. E. Kühnemann

und Dipl.-Ing. K. Kühnemann, Patentanwälte,
4000 Düsseldorf-Nord, Freiligrathstr. 13

Als Erfinder benannt:
George William Gurry,

Leyton, London (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 21. Mai 1959 (17 308)

aufgeladen und entladen werden, so daß sich an ihren Platten keine stabile Ladung aufbauen kann.

Schließlich ist auch eine Anordnung zur unmittelbaren Anzeige atmosphärischer Zustände, beispielsweise Luftdruck und Temperatur, nicht mehr neu, bei der Kondensatoren als Barometer bzw. Thermometer dienen. Die Kapazität dieser Kondensatoren ist vom Luftdruck bzw. von der Temperatur abhängig. Jeder dieser Kondensatoren ist Teil eines Radiosenders und an diesen derart angeschlossen, daß Kapazitätsänderungen entsprechende Änderungen der übertragenen Frequenz bewirken. Die Frequenz beeinflußt wiederum die Stellung eines Drehkondensators in einem Bodenempfänger.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Meßumformer derart auszubilden, daß zur Messung in einem Kondensator eine im wesentlichen stabile Ladung aufrechterhalten wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für einen kapazitiven Meßumformer mit einem aus einer Elektrode und Erde gebildeten Kondensator dadurch gelöst, daß an eine Reihenschaltung aus dem Meßkondensator, einer Serienkapazität und einem Zweipol, an dem eine Wechselspannung einer höheren Frequenz als die der zu messenden Kapazitätsänderungen auftritt, ein erster Gleichrichter und eine Reihenschaltung aus einem zweiten, entgegengesetzt gepolten Gleichrichter und einem Parallelkreis aus einer Kapazität sowie einem Wirkwiderstand parallel

809 618/247

3 4

geschaltet sind und daß eine Meßvorrichtung an die Primärwicklung 8 ist geerdet, öie Sekundärwicklung

Kapazität angeschlossen ist. 10 des EingangstransiofpiattQrs 9, der mittels eines

Wenn die Kapazität zwischen der Elektrode und Massekerns 11 abstimmbar- ist, wird durch einen Abder Erde des Meßkondensators konstant bleibt, baut stimmkondensator 12 überbrückt,
sich in der Kapazität parallel zu dem Wirkwiderstand 5 Das eine Ends der Sekuödäjwickhmg 10 liegt in eine im wesentlichen stabile Ladung auf, deren Reihe mit einem Gleichrichter-13, der vorzugsweise Größe vom Spannungsunterschied zwischen, der Elek- eine Germaniumdiode ist, und einem Widerstand 14, trode und Erde abhängt, Ändert sich der Spannungs- wobei das dem Gleichrichter 13 abgewandte Ende des unterschied zwischen der Elektrode und Erde, so Widerstands 14 geerdet ist. Parallel zum Gleichrichter ändert sich entsprechend die Stärke der Ladung an io 13 und zum Widerstand 14 liegt ein Gleichrichter 15, der Kapazität parallel zu dem Wirkwiderstand und vorzugsweise ebenfalls eine Germaniumdiode. Das damit die angelegte Spannung. Diese Spannungs- dem Gleichrichter 13 abgewandte Ende der Sekunänderung wird von der Meßvorrichtung gemessen. därwicklung 10 ist mittels einer Serienkapazität mit Im einzelnen wird während der ersten Halbperiode einer Elektrode 17 verbunden, die aus dem Gehäuse 1 der Wechselspannung die aus der Kapazität parallel 15 hervorsteht und in festem Abstand zu einer umzu dem Wirkwiderstand, dem zweiten Gleichrichter, laufenden Welle 18 gehalten wird. Die Welle ist geder Serienkapazität und dem Meßkondensator ge- erdet und mit einer Unregelmäßigkeit ·— in der Darbildete Reihe gespeist, so daß die Kapazität und der stellung ein Vorsprung 19 — versehen, die sich bei Meßkondensator aufgeladen werden, während in der jeder Umdrehung der Welle einmal an der Elektrode folgenden Halbperiode der Wechselspannung der 20 17 vorbeibewegt.

Meßkondensator infolge seiner Reihenschaltung mit Das mit dem Gleichrichter 13. verbundene Ende des

dem ersten Gleichrichter entladen wird. Durch Widerstands 14 ist jener Punkt des Stromkreises, an

die Kapazitätsveränderung des Meßkondensators dem die Ausgangsspannung abgenommen wird. Dort

während einer Zeitspanne, die wesentlich größer ist ist auch der Leiter 21 des Kabels 7 angeschlossen,

als die Periodenzeit der Eingangsspannung, wird der 25 das seinerseits über einen Gleichstrom-Sperrkonden-

Spannungspegel an der zu dem Wirkwiderstand sator 22: mit einem (nicht dargestellten) Anzeigegerät

parallelliegenden Kapazität geändert. Durch den in Verbindung steht,

Parallelwiderstand, wird die Kapazität beim Entladen Die Eigenkapazität 23 des Kabels 7 wird durch den

des Meßkondensators nur teilweise entladen. Widerstand 14 überbrückt. Die Elektrode 17 und die

Eine vorteilhafte Ausbildung des kapazitiven Meß- 30 Welle 18 stellen einen Meßkondensator 24 dar, dessen

Umformers weist das Merkmal auf, daß als Zweipol, Kapazität sich jedesmal verändert, wenn sich die Un-

an dem eine Wechselspannung einer höheren Fre- regelmäßigkeit 19 am freien Ende der Elektrode 17

quenz als die der Kapazitätsänderungen auftritt, ein vorbeibewegt. Der Wert der Kapazität 23 liegt hei

Parallelresonanzkreis vorgesehen ist. 200 bis 300 pF und der Wert des Meßkondensators

Besonders zweckmäßig ist der kapazitive Meßum- 35 bei 1 pF,

former derart ausgestaltet, daß der Parallelresonanz- Wenn während des Betriebs eine negative Halbkreis aus der Sekundärwicklung eines Eingangstrans·, welle der Spannung über der Wicklung 10 des Einformators und der Reihenkapazität gebildet ist. gangstransformators 9 erscheint, fließt Strom in der

Ferner ist der kapazitive Meßumformer vorteilhaft aus den Kondensatoren 16, 24, 23 und dem Gleichso ausgestaltet, daß der Widerstand über einen Leiter 40 richter 13 gebildeten Reihe und bewirkt, daß sich die eines abgeschirmten Kabels an die Meßvorrichtung Kondensatoren aufladen. Bei der folgenden positiven angeschlossen ist, dessen Abschirmung an Erde ge- Halbperiode fließt Strom durch die aus dem Gleichlegt ist. richter 15 und den Kondensatoren 24, 16 gebildete

Schließlich wird bei dem kapazitiven Meßumformer Reihe in umgekehrter Richtung und bewirkt, daß sich

in weiterer Ausgestaltung eine Meßvorrichtung vor- 45 die Kondensatoren 24 und 16 entladen. Wegen der

gesehen, die die Impulsfrequenz anzeigt, mit der sich Z.eitkonstante des Widerstands 14 und der Kapazität

die Kapazität des Kondensators ändert, 23 kann sich jedoch die Ladung der Kapazität 23

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines während dieser Halbperiode nur langsam abbauen.

Ausführungsbeispiels und der Zeichnung erläutert, Es ist also offensichtlich, daß bei einer konstanten

die die Schaltungsanordnung des kapazitiven Meß- 50 Kapazität des Meßkondensators 24 der Spannungs-

umformers mit einem Meßkondensator an einer ge- pegel der Kapazität 23 im wesentlichen konstant

erdeten umlaufenden Welle darstellt. bleiben würde.. Durch die Unregelmäßigkeit 19 an

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist ein wesent- der Welle 18 ändert sich jedoch die Kapazität des richer Teil des Umformers in einem geerdeten Ge- Kondensators 24 einmal je Umdrehung der Welle 18 häusel untergebracht, das mit gestrichelten Linien 55 während der Zeitspanne, in der sieh die Unregelangedeutet ist. Die Eingangsspannung wird von einem mäßigkeit an der Elektrode 17 vorbeibewegt. Somit Oszillator 2 geliefert, der mit einer festen Frequenz verändert sich auch der Spannungspegel an der Kapavon beispielsweise 1,5 MHz betrieben wird. Der Aus- zität 2.3 einmal je Umdrehung der Welle 18, und die gang des Oszillators entwickelt sich über die Primär- Spannung an der Kapazität 23 wird eine Gleichwicklung 3 eines Transformators 4, dessen Sekundär- 60 spannung, der Impulse überlagert sind, deren Frewicklung 5 mit ihrem einen Ende an Erde liegt und quenz ein Maß für die Wellenumdrehungen pro mit ihrem anderen Ende mit dem Leiter 6 in einem Sekunde ist.

Kabel 7 verbunden ist, das einen geerdeten Mantel Die dem Gleichstrom- Spannungspegel der Kapa-

hat. Das der Wicklung 5 abgewandte Ende des zität 23 überlagerten Impulse lassen sich dazu ver-

Leiters 6 ist an das eine Ende der Primärwicklung 8 65 wenden, die Wellendrehzahl auf einem Meßgerät

eines Eingangstransformators 9 der im Gehäuse 1 anzuzeigen. Hierzu wird die Spannung an der Kapa-

untergebrachten elektrischen Schaltanordnung ange- zität 23 über den Gleichstrom-Sperrkondensator 22

schlossen. Das dem Leiter 6 abgewandte Ende der an eine (nicht dargestellte Einrichtung geführt. Diese

Einrichtung enthält einen Verstärker, und die verstärkte Ausgangsspannung wird an eine Kippschaltung gelegt, die einen Rechteckimpulsgenerator auslöst. Dessen Ausgangsimpulse werden einem Frequenzmesser zugeleitet, der die Wellendrehzahl 5 anzeigt.

Auch die Geschwindigkeiten von anderen Körpern als umlaufende Wellen lassen sich mittels der beschriebenen Erfindung leicht feststellen. So kann die Elektrode beispielsweise in einem bestimmten Abstand von einem Körper angeordnet werden, der quer in bezug auf die Elektrode vibriert, wobei eine am vibrierenden Körper vorgesehene Unregelmäßigkeit sich periodisch an der Elektrode vorbeibewegt. Ferner läßt sich die Geschwindigkeit einer Reihe fallender Körper ermitteln, wenn die Elektrode in einem bestimmten Abstand von einer feststehenden Platte gehalten wird und die fallenden Körper zwischen der Elektrode und der feststehenden Platte hindurchgeleitet werden.

Durch die Anwendung des Meßumformers, die hauptsächlich zur Drehzahlbestimmung umlaufender Wellen dient, läßt sich die Umdrehungsgeschwindigkeit von Wellen schnell und einfach unabhängig davon bestimmen, ob die Welle in Öl oder einem anderen Nichtleiter läuft. Die Drehzahlmessung ist ferner unabhängig von der Wellentemperatur und bedingt keine mechanische Belastung der Welle. Durch Anwendung der Erfindung lassen sich Wellengeschwindigkeiten bis zu 300 000 Umdrehungen je Minute messen.

Der beschriebene Meßumformer kann außer zur Messung von Wellendrehzahlen noch für viele andere Zwecke verwendet werden, wie beispielsweise zur Anzeige von Füllhöhen in Behältern. Hierbei wird das Gehäuse 1 so angeordnet, daß die Elektrode 17 zum Materialpegel innerhalb des Behälters hinzeigt, wobei sich die Spannung über der Kapazität je nach dem Materialstand im Behälter verändert.

Auch kann der Meßumformer zum Zählen und Dosieren von Gegenständen verwendet werden, die sich auf Fördereinrichtungen bewegen. In diesem Fall kann das Gehäuse 1 beispielsweise oberhalb des laufenden Bandes angeordnet werden, das die Gegenstände befördert. Jedesmal, wenn sich ein Gegenstand unter der Elektrode vorbeibewegt, tritt dann im Spannungspegel der Kapazität ein Impuls auf, wobei diese Impulse in der bekannten Weise gezählt werden.

Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Meßumformers ist die Geschwindigkeitsmessung sich bewegender Gegenstände. Hierzu werden zwei Meßumformer in einer bestimmten Entfernung voneinander angebracht, so daß die Kapazitäten einen Anlaufimpuls und einen Anhalteimpuls abgeben, wenn sich der Gegenstand nacheinander an den in einer bestimmten Entfernung voneinander angeordneten Elektroden vorbeibewegt. Die Anlauf- und Anhalteimpulse werden einem Zeitmeßgerät zugeführt, das mit einer Skala zum Ablesen der Geschwindigkeit versehen sein kann.

Schließlich kann die Erfindung dazu verwendet werden, die Spannung eines laufenden Bandes aus elastischem Material zu regeln. Hierzu wird die Elektrode neben dem Band angeordnet, und beim Nachlassen der Bandspannung ändert sich die elektrische Spannung in der Kapazität, wodurch eine Vorrichtung in Betrieb gesetzt werden kann, die die erforderliche Spannung des Bandes wiederherstellt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Meßumformer mit einem aus einer Elektrode und Erde gebildeten Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Reihenschaltung aus dem Meßkondensator (24), einer Serienkapazität (16) und einem Zweipol (10, 12), an dem eine Wechselspannung einer höheren Frequenz als die der zu messenden Kapazitätsänderungen auftritt, ein erster Gleichrichter (15) und eine Reihenschaltung aus einem zweiten, entgegengesetzt gepolten Gleichrichter (13) und einem Parallelkreis aus einer Kapazität (23) sowie einem Wirkwiderstand (14) parallel geschaltet sind und daß eine Meßvorrichtung an die Kapazität (23) angeschlossen ist.

2. Kapazitiver Meßumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zweipol (10,12) an dem Wechselspannung einer höheren Frequenz als die der Kapazitätsänderungen auftritt, ein Parallelresonanzkreis vorgesehen ist.

3. Kapazitiver Meßumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelresonanzkreis (10,12) aus der Sekundärwicklung (10) eines Eingangstransformators (9) und der Reihenkapazität (12) gebildet ist.

4. Kapazitiver Meßumformer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (14) über einen Leiter (21) eines abgeschirmten Kabels an die Meßvorrichtung angeschlossen ist, dessen Abschirmung (7) an Erde gelegt ist.

5. Kapazitiver Meßumformer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung die Impulsfrequenz anzeigt, mit der sich die Kapazität des Kondensators (24) ändert.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 828 968, 872 643;
USA.-Patentschrift Nr. 2 611 811;
Elektronik (1957), 10, S. 291 bis 295.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 618/247 9.68 © Bundesdruckerei Berlin