DE1498061C3

DE1498061C3 - Vorrichtung zur Messung von geradlinigen oder winkelmäßigen Verschiebungen

Info

Publication number: DE1498061C3
Application number: DE1498061A
Authority: DE
Inventors: Pierre Fontenay-Aux-Roses Seine Alais (Frankreich)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1964-08-14
Filing date: 1965-08-13
Publication date: 1974-05-02
Also published as: NL6510570A; DE1498061A1; LU49277A1; US3426271A; GB1113864A; DE1498061B2; BE667962A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von geradlinigen oder winkelmäßigen Verschiebungen und Schwingungen, bei der zwei geometrisch identische Kondensatoren derart angeordnet sind, daß sich ihre Kapazitäten in Abhängigkeit von der zu messenden Verschiebung linear und in entgegengesetztem Sinn verändern und von denen je ein erster Anschluß miteinander verbunden ist, während der andere Anschluß jedes der beiden Kondensatoren mit je einer Elektrode eines Gleichrichters verbunden ist, während die anderen Elektroden der beiden Gleichrichter, die einander entgegengesetzte Polarität aufweisen, ebenfalls miteinander verbunden sind, bei der eine Hochfrequenzspeisespannungsquelle einerseits

• mit dem Verbindungspunkt der beiden Gleichrichter und andererseits mit dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren verbunden ist und zwei gleiche in Reihe zueinander geschaltete Widerstände, an deren gemeinsamer Verbindungsstelle eine Ausgangsspannung gegen Erde erzeugt wird, mit den Verbindungsstellen von je einem Gleichrichter und einem Kondensator verbunden sind, und wobei der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden Gleichrichter geerdet und zwischen den Verbindungspunkten der beiden Widerstände und Erde ein weiterer Kondensator und parallel hierzu ein Widerstand geschaltet ist.

Eine Vorrichtung dieser Art bildet den Gegenstand des Patents 1448 744.

Bei der Vorrichtung nach Patent 1448 744 wird die zu messende Verschiebung auf den gemeinsamen Belag eines Doppelkondensators übertragen. An dem gemeinsamen Belag des Doppelkondensators liegt eine hohe und in Amplitude und Frequenz gut stabilisierte Hochfrequenzspannung; eine doppelte •Differenz-Gleichrichtung an den sekundären Belägen gestattet es, eine Gleichspannung zu erhalten, welche der durch die Verschiebung hervorgerufenen Kapazitätsdifferenz algebraisch proportional ist. Damit man gut lineares Ansprechen als Funktion der zu messenden Verschiebung erreicht, genügt es, daß sie die in Frage kommenden Kapazitäten infolge ihres Aufbaues sehr linear als Funktion der zu messenden Verschiebung verändern, da insbesondere die Randwir-, kungen durch die bewirkte Subtraktion eliminiert werden können.

Unter diesen Bedingungen bleibt die Linearität für sehr beträchtliche Kapazitätsänderungen erhalten und nicht nur im Bereich kleiner Variationen um eine mittlere Lage.

Im Patent 1448 744 ist außerdem unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 ausgeführt, daß man durch Verwendung voh abgestimmten Leitungen nur die Doppel-Kapazität am Ort des Empfängers lassen kann, was äußer dem Vorteil eines verminderten Raumbedarfs, die Verwendung eines Empfängers bei sehr strengen Umgebungsbedingungen (beispielsweise der Temperatur) gestattet.

Dennoch ist es in zahlreichen Anwendungsfällen vorteilhaft, die Differenz-Gleichrichtung im Empfänger vorzunehmen. Es ist offensichtlich möglich, die Verwendung einer auf Resonanz abgestimmten Leitung in Betracht zu ziehen, um die Hochfrequenzspannung zum Empfänger zu übertragen und das Informationssignal über ein anderes Koaxialkabel zurückzuführen.

Diese Anordnung weist jedoch einige Nachteile auf, nämlich die durch die angepaßte Frequenz zwangläufig erforderliche Länge der Verbindung, die Verwendung von zwei Kabeln, die beträchtlichen Verluste in der Resonanzleitung.

Es ist andererseits bekannt, den Wellenwiderstand

6«, von Hochfrequenzkabeln an den Leitungsabschlußwiderstand, z. B. mit Hilfe eines Anpassungstransformators anzupassen. Es ist schließlich bekannt, über "ein Kabel hochfrequente und niederfrequente Signale

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zu übertragen und zur Trennung derselben am Kabeleingang und Kabelausgang Trennfilter anzuordnen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die' Aufgabe zugrunde, die in dem Patent 1448 744 beschriebene Vorrichtung weiter zu verbessern und die Verbindung zwischen Empfänger und Hochfrequenzoszillator über ein Kabel beliebiger Länge zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird gelöst bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, dadurch, daß erfindungsgemäß der die beiden Kondensatoren und den aus den beiden Gleichrichtern bestehenden Differentialgleichrichter enthaltende Empfänger entfernt von der Hochspannungsquelle angeordnet ist, und in an sich bekannter Weise über ein Kabel, an dessen Wellenwiderstand der Empfänger über einen Impedanz-Anpassungstransformätor angepaßt ist, mit der Hochfrequenzspannungsquelle verbunden ist, und daß das Kabel gleichzeitig zur Übertragung des am Ausgang des Differentialgleichrichters entstehenden Informationssignals vom Empfänger zu der Meßklemme dient, wozu in an sich bekannter Weise Trennfilter am Kabeleingang und Kabelausgang zur Trennung des Hochfrequenzsignals von dem Informationssignal vorgesehen sind.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist am Empfänger eine Begrenzerschaltung vorgesehen, der über ein weiteres Kabel eine stabilisierte Bezugsspannung zugeführt wird, um die Hochfrequenzspannung am Empfänger zu stabilisieren.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in der Beschreibung durch Ausführungsbeispiele und an Hand der Zeichnung erläutert; in dieser zeigt

F i g. 1 das Schaltschema einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 das Schaltschema einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 kann man im Gegensatz zu den im Patent 1 448 744 beschriebenen Ausführungsbeispielen nur ein einziges Verbindungskabel von einer nicht vorgegebenen und beschränkten Länge verwenden und einen unzulässigen Verlust bei großen Ubertragungsstrecken, indem der Hochfrequenzstrom mit niedriger Spannung übertragen wird, vermeiden.

Ein einziges Koaxialkabel 1 verbindet den Empfänger 15 mit seiner Versorgungsquelle 16. Die Entkoppelkondensatoren 2, deren Impedanz für hohe Frequenzen sehr gering und für die Informationssignale mit viel tieferen Frequenzen sehr hoch ist, gestatten die gleichzeitige Übertragung einer von dem stabilisierten Oszillator 3 gelieferten Hochfrequenzwelle mit konstanter Amplitude und des vom Empfänger hergekommenen Informationssignals. Der Transformator 4, der je nachdem mit Ferritkern oder ohne magnetischen Werkstoff ausgebildet sein kann, gestattet die Herabsetzung der vom Empfänger am gemeinsamen Belag 5 dargebotenen hohen Impedanz auf einen Wert nahe dem Wellenwiderstand des Kabels 1. Das Hochfrequenzpotential am Belag 5 erreicht seinen Maximalwert etwa bei der Abstimmfrequenz mit der parasitären Kapazität 12 der Sekundärwicklung des Transformators. Diese Abstimmung bestimmt praktisch die Betriebsfrequenz der Einrichtung nahezu unabhängig von der Länge des Kabels 1; das Kabel ist also für ein geeignetes Transformationsverhältnis praktisch an seinen Wellenwiderstand angepaßt. Beispielsweise wurden Hinauf-Übersetzungsverhältnisse in der Größenordnung von 50 mit guter Stabilität bei Frequenzen von 3 bis 15 MHz erreicht; diese Frequenzen können über ziemlich große Entfernungen ohne unzulässige Dämpfung übertragen wer-' den. Die von den Dioden 6, den Widerständen 7 und dem Kondensator 8 gebildete differentielle Nachweisanordnung liefert ein Gleichspannungs-Signal, . welches der gemessenen Verschiebung proportional ist; das Signal kann dem Verbindungskabel über eine dazwischenliegende, die Nachweiseinrichtung vor Hochfrequenzstrom schützende Drosselspule 9 zugeführt werden. Dieses Signal wird am Ort der Versorgungsquelle durch den aus der Selbstinduktion 10 und dem Kondensator 11 gebildeten Filter (gleicher Bauart) abgenommen. Die Information kann an der Klemme 14 abgegriffen werden. Es sei bemerkt, daß die im Empfänger liegenden Elemente 8 und 9 nicht unentbehrlich sind, und daß ihr Weglassen, d. h. wenn eine direkte Schleife die Widerstände 7 mit dem Kabel 1, wie es durch die gestrichelte Linie 13 angedeutet

so ist, verbindet, keine merklichen Nachteile für die Wirkungsweise des Empfängers mit sich bringt und seinen Aufbau vereinfacht.

Auf Grund der großen Hinauf-Übersetzungsverhältnisse, welche infolge der durch den Transformator 4 bewirkten Anpassung der Impedanz ermöglicht werden, kann man, bei gleicher Hochfrequenzleistung des Oszillators 3, eine im Verhältnis zur vorherigen Ausführung stark erhöhte Empfindlichkeit erreichen, und zwar unter Beibehaltung der außerordentlichen Güte der Auflösung und Linearität dieses Verfahrens. Beispielsweise kann die Informationsspannung bei einer auf die Größenordnung von 1 Watt eingestellten Hochfrequenzleistung den Bereich von ± 5 Volt, bezogen auf eine Ausgangsimpedanz von 5000 Ohm, bestreichen, unabhängig vom Hub (welcher von 100 μ bis 100 mm oder weiter gehen kann) der Vorrichtung. Derartige Leistungen gestatten beispielsweise die direkte Verwendung (ohne Verstärkung) einer robusten elektromechanischen Vorrichtung, und zwar etwa für einen kleinen Teil des Hubes.

Das im folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel· weist insofern besondere Vorteile auf, als es die Meßbeständigkeit trotz möglicher Änderungen des Oszillatorverhaltens beibehält, so daß im vorherigen Beispiel die Steigung der Ansprechkurve direkt proportional dem Ausgangspegel des'letzteren und mit seinen Schwankungen verknüpft ist. Andererseits ist im Fall der F i g. 1 bei dem im Empfänger angeordneten Hinauf-Transformator der Sekundärkreis mit der parasitären Kapazität abgestimmt, welche zur Masse entsprechend der Geometrie und dem Aufbau des Empfängers vorhanden ist; diese Kapazität kann gegebenenfalls durch eine Zusatzkapazität verdoppelt werden, welche die Veränderung der Arbeitsfrequenz ermöglicht. Der Oszillator-Kreis weist eine Eigenfrequenz und einen Überspannungsfaktor auf, welche sich thermisch ändern können und so zusätzliche Meßfehler schaffen, indem sie direkt auf das Hochfrequenzpotential, welches an dem Mittelbelag des Dif-

So ferentialkondensators angelegt ist, einwirken.

Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform gestattet es, diese Fehlerursachen zu vermeiden. Im Fall des in Fig. 2 dargestellten Ausfühnmgsbeispiels verbindet die Koaxialleitung 101 den Oszillator 102 mit dem Transformator 103, welcher die Eingangsimpedanz des Empfängers auf ihren Wellenwiderstand bringt; die Koaxialleitung 101 dient stets zugleich zur Übertragung des vom Empfänger gelieferten Gleichstrom-

bzw. Niederfrequenz-Informationssignals; infolge der Entkoppelkondensatoren 104 und der Filter 105,106 sowie 107, 108, welche im Versorgungsteil bzw. im Empfänger angeordnet sind, wird die Information von der Klemme 109 abgenommen. Es sei daran erinnert, daß man das Filter 107, 108 möglicherweise ohne Nachteil für die Qualität der Messung weglassen und durch die Verbindung 110 ersetzen kann. Die Leitung 101 wird durch eine weitere Koaxialleitung 111 verdoppelt, welche zum Ort des Empfängers eine Bezugsspannung V₀ von einer sehr gut stabilisierten Quelle 112 überträgt. Die Dioden 113 und 114 gestatten es, das an den Mittelbelag gelegte Hochfrequenzsignal auf die Potentiale Null bzw. V₀ zu begrenzen; da der Fußpunkt der Sekundärwicklung des Transformators 103 durch eine hohe Kapazität 123 entkoppelt ist, kann die so geänderte Schwingung des Sekundärkreises symmetrisch im Verhältnis zu V₀II sein. Die doppelte Differenz-Gleichrichtung wirkt in der Tat wie eine Vorrichtung, welche die Dif- ao ferenzen integriert, und sie liefert ein Signal, welches der Differenz der in jeder Periode an den Sekundärbelägen auftretenden Elektrizitätsmengen proportional ist.

- Diese Elektrizitätsmengen sind wesentlich mit der (je Halbwelle) an dem Mittelbelag angelegten Potential-Differenz verknüpft. Daraus folgt, daß bei einer geeigneten Abstimmung und Begrenzung der Sekundärschwingung, jede relative Veränderung des Oszillatorausgangspegels um seinen mittleren Betriebswert herum sich durch eine Deformation der nichtlinearen Sekundärschwingung bemerkbar macht, die ohne Veränderung der Halbwelle für Halbwelle-Potentiale, nämlich V₀, erhalten wird; auf diese Weise wird die vom Meßsignal erfahrene relative Veränderung (im Prinzip Null nach den vorhergehenden Begründungen) sich praktisch in einer Größenordnung befinden, welche deutlich unter dieser Veränderung des Oszillatorausgangspegels liegt.

Gleichfalls wirken sich Veränderungen der Eigenfrequenz-Kennlinien und der Überspannung des Sekundärkreises (welche durch thermische Veränderungen oder durch Alterungen des verwendeten Materials hervorgerufen wurden) nur in vernachlässigbarer Weise auf das Meßsignal aus Daraus folgt, daß in der Praxis die Stabilität der Steigung der Ansprechkurve des Empfängers wesentlich von der Stabilisierung der Bezugsspannung V₀ abhängt.

Wenn man eine Vorrichtung mit höchster Meßtreue zu bauen wünscht, so scheint es, daß bei sehr gut stabilisierter Spannung V₀ der größte Störfaktor, welcher Steigungsänderungen zur Folge hat, die mögliche Frequenzabtrift und weniger die Pegeländerung des Oszillators ist, wenn dieser von einer gewöhnlichen Hilfsoszillatorstufe gesteuert wird. Daher wird man vorzugsweise einen quarzgesteuerten Oszillator benutzen. Eine einstellbare Kapazität 124 im Empfänger gestattet dann die Einstellung der Arbeitsfrequenz des letzteren auf die Quarzfrequenz.

Schließlich können die thermischen Änderungen der Gleichrichterdioden 115, 116 möglicherweise durch die Änderungen von parallel angeordneten Widerständen 117, 118 kompensiert werden, welche derartige Temperaturkoeffizienten haben, daß ihre Änderungen, die von den Dioden verursachten Änderungen kompensieren. Durch Wahl der Werte der parasitären Kapazitäten 119 und 120 und der Werte der Widerstände 121 und 122 kann man eine ausgezeichnete Linearität sogar bei einem starken Meßsignal erhalten, welches Hochfrequenzsignalen an den Sekundär-Belägen, die im Verhältnis zum Potential V₀ nicht vernachlässigbar sind, entsprechen kann. Bereiche von mehreren Volt-Dekaden können auf diese Weise vom Meßsignal bestrichen werden, ohne daß die Linearität des Ansprechens beeinträchtigt wird.

Es sei bemerkt, daß an Stelle der zwei Begrenzungsdioden jede andere bekannte Vorrichtung zur Begrenzung verwendet werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung von geradlinigen oder winkelmäßigen Verschiebungen und Schwingungen, bei der zwei geometrisch identische Kondensatoren derart angeordnet sind, daß sich ihre Kapazitäten in Abhängigkeit von der zu messenden Verschiebung linear und in entgegengesetztem Sinn verändern und von denen je ein erster Anschluß miteinander verbunden ist, während der andere Anschluß jedes der beiden Kondensatoren mit je einer Elektrode eines Gleichrichters verbunden ist, während die anderen Elektroden der beiden Gleichrichter, die einander entgegengesetzte Polarität aufweisen, ebenfalls miteinander verbunden sind, bei der eine Hochfrequenzspeisespannungsquelle einerseits mit dem Verbindungspunkt der beiden Gleichrichter und andererseits mit dem Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren verbunden ist und zwei gleiche in Reihe zueinander geschaltete Widerstände, an deren gemeinsamer Verbindungsstelle eine Ausgangsspannung gegen Erde erzeugt wird, mit den Verbindungsstellen von je einem Gleichrichter und einem Kondensator verbunden sind, und wobei der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden Gleichrichter geerdet und zwischen den Verbindungspunkten der beiden Widerstände und Erde ein weiterer Kondensator und parallel hierzu ein Widerstand geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der die beiden Kondensatoren und den aus den beiden Gleichrichtern bestehenden Differentialgleichrichter (6, 115, 116) enthaltende Empfänger (15) entfernt von der Hochfrequenzspannungsquelle (3, 102) angeordnet und in an sich bekannter Weise über ein Kabel (1, 101), an dessen Wellenwiderstand der Empfänger über einen Impedanz-Anpassungstransformator (4,103)angepaßt ist, mit der Hochfrequenzspannungsquelle (3, 102) verbunden ist, und daß das Kabel gleichzeitig zur Übertragung des am Ausgang des Differentialgleichrichters (6, 115, 116) entstehenden Informationssignals vom Empfänger zu der Meßklemme (14,109) dient, wozu in an sich bekannter Weise Trennfilter (2, 8, 9,10, 11, 103, 104, 105, 106, 107, 108) am Kabeleingang und Kabelausgang zur Trennung des Hochfrequenzsignals von dem Informationssignal vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung der Hochfrequenzspannung am Empfänger eine Begrenzerschaltung (112,114) vorgesehen ist, der über ein zweites Kabel (111) eine Bezugsspannung von einer örtlich entfernt angeordneten stabilisierten Bezugsspannungsquelle (112) zugeführt wird.