DE1813153A1 - Vorrichtung zur Umformung einer mechanischen Wegaenderung in elektrische Signale - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Umformung einer mechanischen Blegänderung in elektrische Signale Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umformung einer Translations- oder einer Rotationsbewegung in elektrisohe Signale und insbesondere eine Vorrichtung zur uswertung derartiger Bewegungen, welche als äquivalente Kapazitätsänderungen auftreten, sowie zur Regelung der Amplitude der durch die Vorrichtung erzeugten elektrischen Signale.
• Auf dem Gebiet der Meß- und Regelgeräte werden zu messende Größen, wie Relativbewegungen, Durchsatzmengen, Drucke Usw.1 allgemein mittels Umformer in elektrische Signale umgeformt. Im allgemeinen wird die Meßgröße in eine Längs-oder eine Kreisbwegung umgewandelt bzw. stellt eie sohon eine solche dar. Der Umformer erfaßt die Relativbewegung und erzeugt ein proportionales elektrisches Signal. Die Abhängigkeit des elektrischen Signals von der mechanischen Eingangsgröße kann dabei einer beliebigen Punktion, wie einer linearen, einer logarithmischen oder einer exponentislen Punktion folgen.
• Die Umformer sind häufig als PUhler in Rückführunkreise Von Servosystemen, z.B. von Aufzeichnungsgeräten, eingebaut und liefern eine Anzeige des Ausschlage ba. der Stellung eines mechanischen Elements, wie eines Aufzeichnungsstifts. In solchen Anwendungsgebieten ist der Umformer langen Betriebszeiten unterworfen, wobei er häufig minimalen Ausschlägen über einen kleinen Teil seines Meßbereichs hinweg dynamisch schwankenden Meßwertänderungen ausgesetzt ist, wie im Fall der Aufzeichnung oder Uberwachung von Wechselstromsignalen niedriger Amplitude. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, Umformer einzusetzen, weiche keine störanfälligen Schleifkontakte aufweisen, die sich abnutzen und Meßabweichungen, "Rauschen" oder sonstige richt-statische Abweichungen hervorrufen können. Da die Genauigkeit im allgemeinen von vorrangiger Bedeutung ist, sollte der Umformer selbst außerdem unendliches Auflösungsvermögen, absolute Reproduzierbarkeit und Stabilität besitzen und darüber hinaus in der Lage sein, die gewünschte Funktion der Beziehung von Ausgangz- zu Eingangssignal zu erzeugen und einzuhalten. Darüber hinaus sollte der Umformer niedrige mechanische Trägheit und geringe Reibungswerte aufweisen. Außerdem sollte er vergleichsweise unempfindlich gegenüber quer zu seiner normalen Meß###richtung einwirkenden Kräften sein, so daß er auch an Stellen eingesetzt werden kann, welche starken Schwingungen ausgesetzt sind. Neben den vorgenannten Erfordernissen sollte der Umformer außerdem auch vergleichsweise wirtschaftlich herstellbar sein.
• Derzeit werden verbreitet Schleifdraht-Potentiometer als mechanisch-elektrische Umformer speziell in Servosystemen zur Aufzeichnungsgeräte verwendet, und zwar in erater Linie im Hinblick auf ihre niedrigen Herstellungskosten. Unvorteilhaft ist jedoch, daß derartige Potentiometer mechanischem Verschleiß unterliegen und durch sie häufig die B-treibslebensdauer den Systems, in welchem eie verwendet werden, negativ beeinflußt wird, und zwar insbesondere dann, wenn sie längere Zeit Schwingungen über einen kleinen Teil ihres Arbeitsbereichs hinweg ausgesetzt werden. Außerdem ist das Auflösungsvermögen von Potentiometer mit Widerstandsdrahtwicklung durch den Abstand zwischen den Drähten bestimmt. Weiterhin wird durch den Gleitkontakt häufig unerwünschte Reibung auf daa bewegliche mechanische Glied ausgeübt, so daß insbesondere Umkehrfehler entstehen. Es sind auch verschiedene Arten von Potentiometern mit aufgedampft er Widerstandsschicht erhältlich. Obgleich diese Potentiometer unendliches Auflössungsvermögen aufweisen und manchmal auch etwas längere mechanische Betriebslebensdauer als die mit Drahtwicklungen versehenen Typen besitzen, sind Widerstände dieser Art nur mit hohem Kostenaufwand erhältlich.
• Derzeit sind verschiedene kontaktlose Umformer gebräuchlich, wie Differentialumformer, Resolver und kapazitive Umformer. Es hat sich jedoch gezeigt, daß keine dieeer derzeit bekannten Vorrichtungen allen vorgenannten Erfordernissen gerecht wird. Im Fall der Differentialumformer und der kapazitiven Umformer ist der nutzbare mechanisch-dynamische Bereich bzw. Hub im allgemeinen begrenzt. Mit wenigen kostspieligen Ausnahmen besitzen diese Vorrichtungen außerdem keine zufriedenstellende Linearität. Bei Resolvern und Differentialumformern ist es darUber hinaus äußerst schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, bestimmte nicht-lineare Verhältnisse von Eingang zu Ausgang zu erreichen und zu gewährleisten. In jedem Fall haben sich die bekannten Vorrichtungen vom Kostenstandpunkt her als unannehmbar erwiesen, wenn Genauigkeit, Wiederholbarkeit, Meßbereich, Auflösungsvermögen usw. in einer einzigen Vorrichtung gewährleistet werden eoll.
• Aufgabe der Erfindung ist mithin in erster Linie die Schaffung einer neuartigen und verbesserten, inabesondere den eingangs genannten Erfordernissen entsprechenden Vorrichtung zur Umformung mechanischer Relativbewegungen in elektriwelche Signale.
• Dabei soll auch ein neuartiger und verbesserter kapazitiver mechanisch-elektrischer Umformer angegeben werden, welcher eine genaue Anzeige von Translations- oder Rotationsbewegungen bei vergleichsweise niedrigen Herstellungskosten gewährleistet und vorzugsweise praktisch unempfindlich gegenüber quer zu seiner mechanischen Bewegungsrichtung bzw.
• Drehachse einwirkenden Kräften ist.
• Der erfindungsgemäße Umformer weist drei leitfähige Platten auf, die in praktisch paralleler Lage nebeneinander angeordnet sind. An die eine der äußeren leitfähigen Platten wird eine Signalspannung angelegt, während die beiden arderen leitfähigen Platten auf praktisch demselben Signalspannungswert gehalten werden, um den kapazitiven Einfluß zwischen diesen Platten auf ein Mindestmaß zu verringern, so daß die mittlere Platte als Abschirmung bzw. zur Steuerang der kapazitiven Kopplung zwischen den beiden äußeren Platten wirkt. An die andere äußere Platte ist eine Schaltung zur Erzeugung eines elektrischen Signals angekoppelt, dessen Amplitude eine Punktion der durch die Stellung der Innenplatte gegenüber den beiden Außenplatten bestimmten kapazitiven Kopplung zwischen den beiden äußeren Platten ist. Vorzugsweise ist die mittlere Platte so angeordnet, daß sie sich im Sinn des mechanischen Meßwerts mitbewegt, obgleich sie auch ortsfest sein kann und an ihrer Stelle die Außenplatten bewegt werden können. Außerdem kann die Bewegung als Translation oder als Rotation erfolgen, wobei aber vorausgesetzt ist, daß die Platten parallel zueinander verbleiben.
• Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden die mittlere Platte und eine Außenplatte auf praktisch demselben Signalwert gehalten, indem die mittlere Platte geerdet und die Außenplatte an einen Verstärker mit starker Gegenkopplung angeschlossen ist, um die Außenplatte auf einen virtuellen Erdpunkt zu legen.
• Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die mittlere und die Außenplatte durch einen unity gain-Ver stärker miteinander verbunden, um die beiden Platten praktisch auf gleichem Dignaiwert su halten.
• Ein anderes Merkmal der Erfindung besteht in einer Unterteilung der Ausgangs-Außenplatte in eine Anzahl von aktiven Bereichen und in einem vorgesehenen Schaltkreim zur Gewährleistung einer Winkelmessung über einen Bereich von 360° hinweg.
• Genauer gesagt, schafft die Erfindung eine Vorrichtung sur Umformung einer mechanischen Wegänderung in elektrische Signale, die dadurch gekennzeichnet irt, daß elektrisch leitfähige Platten praktisch parallel nebeneinander angeordnet sind, von denen die eine Platte an eine elektrische Signale liefernde Spannungsquelle angeschlossen ist und die mittlere Platte über Kontaktglieder auf Erdpotential gehalten ist, daß eine Einrichtung zur Änderung der Relativstellung zwischen der mittleren Platte und priadertsnr der zweiten äußeren Platte entsprechend der su messenden meohanisohen Wegänderung vorgesehen ist und daß an die zweite äußere Platte eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von elektrischen Ausgangssignalen angeschlossen ist, deren Amplitude durch die Stellung der mittleren Platte gegenüber der zweiten äußeren Platte bestimmt wird, während letztere auf einem virtuellen Erdpotential gehalten wird.
• Im folgenden sind einige Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Gehäuses für einen kapazitiven Umformer mit den Merkmalen der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 eine Aufsicht auf den Innenteil des hinteren Deckels des Umformergehäuses gemäß Fig. 1, Fig. 4 eine Ansicht einer Ausführungsf'orm einer äußeren kapazitiven Platte eines erfindungsgemäßen Umformers mit einem einzigen Aktivabschnitt, Pig. 5 eine Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform einer kapazitiven Außenplatte mit zwei Aktivabschnitten, Fig. 6 eine Ansicht einer weiter abgewandelten kapazitiven Außenplatte mit einem einzelnen, nicht-linearen Aktivabschnitt, Fig. 7 eine Aufsicht auf eine drehbare leitfähige Mittelplatte des kapazitiven Umformer, Fig. 8 eine Seitenansicht der Platte gemäß Fig. 7, Fig. 9 eine Ausweicht auf den Innenteil des vorderen Deckels des Umformergehäuses gemäß Fig. 1, Fig. 10 eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Umformers nebst seinen elektriaschen Anschlüssen, Fig. 11 eine abgewandelte Ausführungsform der Anordnung gemäß Pig. 10 mit der Ausgangsplatte gemäß Fig. 5 und Anschlüssen hierftir, Fig. 12 eine schematische perspektivische Darstellung des kapazitiven Umformers mit einer abgewandelten Aueführungsform der elektrischen Anschlüsse, Fig. 13 ein elektrisches Blockschaltbild eines iquivalentstromkreises der Vorriohtung gemäß Pig. 10 und Fig.14 ein elektrisches Blockschaltbild eines Äquivalentstromkreises der Vorrichtung gemäß Fig. 12, Der erfindungsgemäß 5 kapazitive Umformer ist im folgenden in Verbindung mit zwei vorrichtungsfesten Platten und einer dazwischen angeordneten, drehbaren kapazitiven Platte beschrieben. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß die derart beschriebene Vorrichtung ohne weiteres nach der Erfindungalehre so abgewandelt werden kann, daß sie einen kapazitiven Umformer für Translationsbewegungen bildet und zwei vorrichtungsfeste Platten sowie eine dazwischen angeordnete, geradlinig bewegbar gelagerte Platte aufweist.
• Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umformers 10 besteht aus einem durch einen hinteren Deckel 12 und einen vorderen Deckel 14 gebildeten Gehäuse zur Aufnahme der kapazitiven Elemente. Eine aus dem Gehäuse herausragende drehbare Welle 16 kann an ein mechanisches Meßobjekt angekoppelt werden, dessen Winkelausschlag gemessen werden soll. Die beiden Deckel 12, 14 sind mit Hilfe von Schrauben 18 miteinander verbunden. Die Welle 16 wird durch einen Sicherungsring oder eine Sicherungssoheibe 17 (Fig. 2) in ihrer Lage gehalten. Die elektrischen Anschlüsse werden durch Leitungen 20 hergestellt, welche aus dem hinteren Deckel 12 austreten.
• Der Umformer weist zwei vorrichtungsfest montierte, parallele, elektrisch leitfähige Platten 26 und 28 sowie eine drehbar gelagerte leitfähige Platte 30 auf, die parallel zu den beiden anderen Platten zwischen diesen angeordnet ist (Fig. 2, 10 und 12). Die Platte 30 ist auf der Eingangswelle 16 befestigt, welche ihrerseits drehbar in Lagern 32, 34 im vorderen bzw. hinteren Deckel 12 bzw. 14 gelagert ist.
• In den Fig. 4 bis 6 sind drei Ausführungsformen der äußeren Platte 26 dargestellt. Die leitfähige Platte 26 kann beispielsweise aus einer kreisförmigen Scheibe aus einem Isolier-Material bestehen, wie es beispielsweise für Platinen von gedruckten Schaltungen verwendet wird, und weist in ihrer Mitte eine öffnung 40 zur Durchführung der Welle 16 auf. Die eine Seite der Platte 26 ist mit einem dünnen Film, beispielsweise einem Kupferfilm, überzogen, der bei der Ausführungsfozn gemäß Fig. 4 in zwei Bereiche unterteilt ist, nämlich einen Aktivbereich 44 und einen.
• Passivbereich 42, welche durch einen dünnen Trenneteg 45 voneinander isoliert sind. Die Platte 26 kann nach herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von gedruckten Schaltungen hergestellt werden. Der Aktivbereich 44 besitzt eine bogenförmige Gestalt, die durch zwei konzentrische Ralbkreise verschiedenen Durchmessers festgelegt wird.
• Die Platte 26 ißt in eine Ausnehmung 46 im hinteren Deckel 12 eingesetzt, wobei die kupferbeschichtete Seite der bewegbaren Platte 30 zugewandt ist (Fig. 2). Die elektrischen Anschlüsse für die Aktiv- und Passivbereiche der Platte 26 bestehen aus im Deckel 12 vorgesehene Löcher 22 und in der Kunststoffscheibe vorgesehene Löcher 23 durchsetzenden Leitungen 20, welche an der leitfähigen Beschichtung angelötet sind.
• Die bewegbare Platte 30 besteht ebenfalls aus einer kreisförmigen Scheibe aus Isolier-Kunststoff und ist mit einer dünnen Kupfer-Metallbeschichtung 50 versehen, welche gemäß Fig. 7 die obere Hälfte der Scheibe bedeckt und durch ein Metall-Büchse 51 mit der Welle 16 elektrisch verbunden ist.
• Die bewegbare Platte 30 dreht sich gemeinsam mit der Welle 16 und ist im Gehäuse derart angeordnett daß die Schicht 50 der Platte 26 zugewandt ist (Fig. 2).
• Die zweite äußere leitfähige Platte 28 besteht ebenfalls aus einer kreisförmigen Scheibe aus Isolier-Kunststoff und ist mit einem dünnen Kupferfilm 52 versehen, welcher die ganze der drehbaren Platte 30 (Fig. 2) zugewandte Fläche Ueber zieht. Die Platte 28 ist fest in eine Ausnehmung 56 (Fig. 9) im vorderan Deckel 14 eingebaut, wobei die elektrischen Anschlüsse durch ein im hinteren Deckel 12 vorgesehenes Loch 54 geführt sind.
• Im folgenden sind die Arbeitsweise des kapazitiven Umformers und seine elektrische Schaltung anhand der Fig. 10 bis 14 näher erläutert. Wie beschrieben, weist der Umformer drei leitfähige Platten auf, nämlich die festen Platten 26 und 28 sowie die bewegbare, mittlere Platte 30. Die Platte 28 ist an eine Wechselspannungsquelle 60 als Signalgeber angekoppelt. Der Passivbereich 42 der Platte 26 liegt an Erde, während der Aktivbereich 44 mit einem Verstärker 62 verbunden ist> der mit einem Kondensator 64 gegenkoppelt ist. Die bewegbare Platte 30 ist über die Büchse 51 mittels eines Schleifringkontakts 66 geerdet. Da der kapazitive Umformer in erster Linie in Verbindung mit periodischen Signalen angewandt wird haben die Kontaktpotentiale zwischen der Bdohae 51 und dem Schleifring 66 keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit. Außerdem braucht auch der t;bergangswiderstand des Kontakts nicht genau überwacht zu werden, da die durch den Schleifkontakt gebildete kapazitive Kopplung in jedem Fall die Erdung der Platte 30 gewährleistet.
• Die Platten 26, 28 und 30 sind derart angeordnet, daß die Platte 30 als veränderliche Abschirmung zwischen den beiden anderen wirkte Da die Kapazität eines Plattenkondensators den Plattenoberflächen direkt proportional ist, ist demnach die Kapazität zwischen den Platten 26 und 28 der Größe der -Platte 28 und dem nicht durch die :Platte 30 abgesch#lrmten Abschnitt des Aktivbereioha 44 proportional. Wenn die Platte 30 aus einer Ausgangsstellung, in welcher sie den Aktivbereich 44 vollständig abschirmt, über einen Winkel von 1800 bis zu einem Punkt verdreht wirdt an Welchem der gesamte Aktivbereich freiliegt, ändert sich die Kapazität linear von einem gegen Null gehenden Mindestwert auf einen bei 1800 erreichten Höchstwert.
• Zur Herstellung eines kontinuierlich drehbaren kapazitiven Umformer kann die Platte 26 gemäß Fig. 5 derart beschichtet werden, daß sie zwei Aktivbereiche 70 und 72 aufweist, die sich Jeweils ihrer einen Winkel von nahezu 180d erstrecken und jeweils ähnliche Bogenform wie der Aktivbereich 44 gemäß Fig. 4 besitzen. Die lktivbereiche 70 und 72 sind durch einen sünnen Trennsteg 78 voneinander und auch von Passivbereichen 74 und 76 isoliert. Diese abgewandelte Platte 26 kann an eine in Pig. 11 dargestellte Schaltung angeschlossen werden, welche bei Jeweils 1800 Drehung der Eingangswelle 16 vom einen auf den anderen Aktivbereich umschaltet.
• Die Passivbereiche 74 und 76 sind geerdet, während die Aktivbereiche 70 und 72 an getrennte Kontakte 80 und 82 eines Umschalters 84 angeschlossen sind, dessen Schaltarm 86 aa den Eingang eines über einen rndensator 90 gegengekoppelten Verstärkers 88 angeschlossen ist. Der Schalter 84 wird durch eine Nockenscheibe 92 gesteuert, welche sich zusammen mit der Eingangswelle 16 dreht und bei Jeweils 1800 Drehung vom einen Aktivbereich auf den anderen umschaltet.
• Falls die Abhängigkeit der Ausgangs signale von der Drehung der Welle 16 nicht linear sein soll, kann die Platte 26 beispielsweise auf die in Fig. 6 dargestellte Weise abgewandelt werden. Hierbei weist ein Aktivbereich 94 die BLorn eines gekrümmten Keils auf und ist gegenüber einem Passivbereich 96 durch einen dünnen Trennsteg 98 isoliert. Bei der Drehung der Welle 16 wird durch den an den ativbereich 94 angeschlossenen Verstärker ein Signal erzeugt, dessen Amplitude sich als Punktion der Drehung der Welle 16 nicht-linear ändert.
• Vorzugsweise sollte der Abstand d, zwischen den Platten 26 und 30 (Fig. 10) im Vergleich zur Länge bzw. Umfangserstreckung des Aktivbereisch der Platte 26 klein sein,um die KrUnung oder Streuung am Außenrand des Fedels zwischen den Platten 26 und 28 so klein wie möglich zu halten, da ein derartiger Effekt sonst im Fall des linearen Aktivbereichs 44 an den Enden des Betriebsbereichs der bewegbaren Platte 30 und im Fall des nicht-linearen Aktivbereichs 94 gemäß Fig. 6 über den ganzen Bewegungsbereich der Platte 30 hinweg feststellbar wäre.
• Wenn die Platten 26 und 30 dicht nebeneinander angeordnet sind, wird die Kapazität zwischen der Platte 30 und dem Aktivbereich 44 im Vergleich zur Kapazität zwischen den Platten 26 und 28 ziemlich groß, und zwar insbesondere dann, wenn die Platte 30 den ganzen Aktivbereich 44 abschirmt.
• Hierdurch wird ein kapazitiver Spannungsteiler gebildet, wie dies durch die gestrichelten Linien in Fig. 13 angedeutet ist. Der veränderliche Kondensator C entspricht deriKapazität zwischen den Platten 26 und 28 und der einstellbare Kondensator C2 entspricht der Kapazität zwischen der Platte 30 und dem Aktivbereich 44> wobei.sich die Größe der Kondensatoren Ci und C2 bei einer Drehung der Welle 16 umgekehrt zueinander ändert. Zur Gewährleistung einer genauen Anzeige der Kapazität zwischen der Platte 28 und dem Aktivbereich 44 als Funktion einer Drehung der Welle 16 muß die Auswirkung der Kapazität O2 ausgeschaltet oder auf einen Wert vermindert werden, bei welchem sie vernachlässigbar ist.
• Die Wirkung des Kondensators C2 wird beim Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Umformers dadurch auf ein Mindestmaß verringert, daß die Platte 50 und der Aktivbereich 44 auf praktisch dem gleichen Signalpotential gehalten werden.
• Dies geschieht gemäß Fig. 10 dadruch, daß der tivbereich 44 an den Eingang eines Verstärkers 62, beispielsweise eines Operationsverstärkers mit hohem Verstärkungsfaktor und starker Gegenkopplung gelegt wird, so daß der Eingang auf virtuellem Erdpotential liegt. Da die Platte 30 direkt geerdet ist und, der Aktivbereich 44 praktisch ebenfalls auf Erdpotential gehalten wird, kann sich zwischen den beiden Platten kein elektrisches Feld aufbauen.
• Die effektive Eingangsimpedanz X des an den Aktivbereich 44 angeschlossenen Verstärkers entspricht der Impedanz eines äquivalenten Kondensators Ceff; wobei XCeff = V0 . XC3 , (1) worin V0 die Leerlaufverstärkung des Verstärkers und C3 der Rückkopplungskondensator ist.
• Es hat sich gezeigt, daß der Wert von XCeff um mindestens drei Größenordnungen größer als der Maximalwert von XC2, welcher bei vollständig durch die PLatte 30 abgeschirmtem Aktivbereich 44 auftritt, eingestellt werden kann.
• Auf C2 zurückzuführende Fehler sind folglich kleiner als 0,1%, und der Ausgang des Verstärkers (A0) kann angenähert wie folgt dargestellt werden: C1 A0 = E . - (2) C3 wobei E die an die Platte 28 angelegte Amplitude des Eingangssignals bedeutet.
• Falls zwischen dem Aktivbereich 44 und der Platte 30 ein äußerst kleiner Abstand (d1) vorgesehen ist, kann es wünschenwert sein, zur Gewährleistung zufriedenstellender Linearität gemäß Fig. 12 ein "bootstrapping"-Verfahren auzuwenden. In diesem Fail ist die Büchse 51 elektrisch mit der Platte 30 verbunden, jedoch gegenüber der Wells 16 isloiert. Wie im Fall von Fig. 10 ist der Aktivbereich an den Verstärker 62 angeschlossen und werden die von der Wechselspannungsquelle 60 kommenden Signale an die Platte 2@ gelegt. Der Aktivbereich 44 gemäß Fig. 12 ist ebenfalls an einen Hingungskreis eines unity gain-Verstärkers 100 angeschlossen dessen Ausgang mit dem Schleifringkontakt 66 verbunden ist. Dieser Verstärker 100 gewährleistet, daß kein Potentialunterschied zwischen der Platte 30 und dem Aktivbereich 44 auftritt, wodurch der Einfluß des Kondensators C2 wirksam unterdrückt wird. Ein äquivalentes Ersatzschaltbild des kapazitiven Umformers ist in Fig. 14 darge-Indem wirksa@ das gleiche Signal an bieden Platten des Kondensators C2 aufrechterhalten wird, wird das elektrische Fel@ zwischen ihnen auf ein Mindestmaß verringert.
• Bei dem Ausführungsformen des Unformers gemäß den Fig. 10 bis 12 ist zu be@chten, daß, da die Platte 30 und der Aktivbereich 44 auf pratetisch demselben Signalwert gehalten werden dun die Kapasität zwischen ihnen mithin wirksam unter-@@@ckt wird, insbesondere kleine Bewegungen der Platte 30 auf die Platten 26 und @@ zu oder von ihnen weg keine unerwünschten Auswirkungen heban. Demzufolge muß nur der Abstand zwischen den verrichtungsfesten Platten 26 und 28 sorgfältig eingehalter werden. Darüber hinaus kann die Platte 30 eine gewisse Freihelt bei ihrer Bewegung auf die Platten 26 und 28 zu und von diesen weg haben. Alle quer zur Achse der Welle 16 gericht@ten Kräfte, welche die parallele Ausrichtung der Platte 30 zu vorändern trachten, erzeugen nur kleine oder g@@ keine Fehler. Im Gegensatz hierzu erfordern die herkömmlichen kontaktfreien Umformer eine sehr genaue Justierung und Konstanz des bewegbaren Elements gegenüber den ortsfesten Elementen, so daß sie empfindlich gegenüber quer zu eingentlichen Bewegungsrichtung einwirkenden Kräften sind.
• Obgleich sich die vorstehende Besohreibung in erster Linie auf eine Anordnung bezieht, bei welcher die äußeren Platten 26, 28 des Umformers vorrichtungsfest sind und die daswischneliegende Platte 30 beweglich angeordnet ist, ist der kapazitive Umformer selbstverständlich auch dann funktionsfähig, wenn die Zwischen-Platte 30 vorrichtungsfest gehalten wird und die beiden äußeren Platten 26 und 28 gemeinsam verdreht werden. Darüber hinaus können auch die Platten 28 und 30 stillstehen, während die den Aktivbereich aufweisende Platte 26 gegenüber den beiden anderen Platten verdreht wird.
• Der Verstärker gemäß den Fig. 10 bis 14 gibt ein Wechselspannungssignal derselben Form abt wie sie durch die Wechselspannungsquelle 60 erzeugt wird. In den meisten Fällen wird dieses Wechselspannungssignal Jedoch in ein Glefohstromsignal umgewandelt, was beispielsweise mittels Präzisions-Gleichrichter-Schlatungen unter Verwendung von Gleichstromve.rstärkern hohen Verstärkungsgrads mit Gleichrichten im Rückkopplungskreis erfolgen kann. Zur GewKhrleistung maximaler Genauigkeit und geringster Welligkeit nach der Gleichrichtung sollte die Weckselspannungsquelle Rechteckimpulse liefern, da hierdurch die Steuerung und Konstanthaltung der Amplitude des Eingangssignals vereinfacht wird. Die Frequenzstabilität der Signal quelle ist nicht kritisch, da die Übertragungsfunktion des Systems durch die Kapazitätsverhältnisse bestimmt wird.
• Obgleich der kapazitive Umformer mit den Merkmalen der Erfindung vorstehend in Verbindung mit der Anlegung eines Eingangssignals an die Platte 28 und der Abnahme des Ausgangssignals vom Aktivbereich 44 beschrieben ist, können die Anschlüsse ersichtlicherweise auch vertauscht werden indem das von der Wechselspannungsquelle 60 gelieferte Eingangssignal an den Aktivbereich 44 angelegt wird während die Platte 28 an den Eingang des Verstärkers 62 angeschlossen wird. Das Ergebnis würde in einer Änderung der Effektivfläche der steuernden Platte anstelle der Fläche der an den Eingang des Verstärkers 62 angeschlossenen Platte bestehen.
• Der erfindungsgemäße kapazitive Umformer ist eine kontaktreie Vorrichtung unendlichen Auflösungsvemögens sowie ausgezeichneter Linearität, Reproduzierbarkeit und Stabilität. Der Umformer vermag verschiedene nicht-lineare Verhältnisse von Eingang zu Ausgang zu bestimmen und weist außerdem keine kritischen Schleifkontakte auf, so daß keine Verschleiß-Probleme bestehen und die mechanische Hemmung der Welle durch Reibung auf ein Mindestmaß gesenkt wird. Da der erfindungsgemäße kapazitive Umformer darüberhinaus drei leitfähige Platten verwendet, Welche in gleicher Weise wie Platinen von gedruckten Schaltungen hergestellt werden können, und da die Axialstellung des bewegbaren Elements nicht genauestens aufrechterhalten zu werden braucht kann der Umformer vergleichsweise billig hergestellt werden und dennoch das gewünschte und erforderliche hohe Maß an Linearität, Stabilität, Reproduzierbarkeit und unendlichem Auflösungsvermögen gewährleisten.

Claims (13)

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Umformung einer mechanischen Wegänderung in elektrische Signale, dadurch gekennzeichnet, daß drei elektrisch leitfähige Platten (26> 28, 30) praktisch parallel nebeneinander angeordnet sind, von denen die eine Platte (28) an eine elektrische Signale liefernde Spannungsquelle angeschlossen ist und dia mittlere Platte (30) Uber Kontaktglieder (51 66) auf Erdpotential gehalten ist, daß eine Einrichtung (16) zur Änderung der Relativstellung zwischen der mittleren Platte (30) und mindestens der zweiten äußeren Platte (26) entsprechend der zu messenden mechanischen Wegänderung vorgesehen ist und daß an die zweite äußere Platte (26) eine Schaltungsanordnung (62, 64) zur Erzeugung von elektrischen Ausgangs signalen angeschlossen ist deren Amplitude durch die Stellung der mittleren Platte (30) gegenüber der zweiten äußeren Platte (26) bestimmt wird, während letztere auf einem virtuellen Erdpotential gehalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (62 64) einen Verstärker (62) mit Gegenkopplung beinhaltet, an dessen Eingang die zweite äußere Platte (26) angeschlossen ist.

3c Vorrichtung nach Anspruch 2* dadurch gekennzeichnet, daß im Gegenkopplungszweig zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers (62) eine Kapazität (64) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktglieder (51, 66) die mittlere Platte (30) mit Erdpotential verbinden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (62, 64) einen unity gain-Verstärker (100) aufweist, dessen Eingang an die zweite äußere Platte (26) und dessen Ausgang an die mittlere Platte (30) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste äußere Platte (28) die Form einer kreisförmigen Scheibe und die zweite äußere Platte (26) eine durch den Zwischenraum zwischen zwei konzentrischen Halbkreisen bestimmte Form besitzt, daß die mittlere Platte (50) kleiner als die erste äußere Platte und halbkreisförmig ausgebildet ist, daß die Kreismittelpunkte aller Platten fluchten, daß die beiden äußeren Platten fest am Gehäuse angeordnet sind und daß die Einrichtung zur Änderung der Relativstellung zwischen der mittleren Platte und zumindest der zweiten äußeren Platte Mittel (16, 32, 34) zum Verdrehen der mittleren Platte in praktisch paralleler Lage zu den beiden äußeren Platten um den fluchtenden Mittelpunkt beider Platten aufweist.

7. Kapazitiver Umformer, dadurch gekennzeichnet, daß er eine an eine elektrische Signalquelle anschließbare leitfähige Platte (28), eine praktisch parallel zu dieser Platte montierte zweite leitfähige Platte (26) und eine praktisch parallel zwischen diese beiden Platten eingefügte dritte leitfähige Platte (30) aufweist, daß ein Kontakt (51, 66) die dritte, mittlere Platte auf Erdpotential legt und daß an die zweite äußere Platte eine Schaltungsanordnung (62, 64) zur Erzeugung eines elektrischen Signals angeschlossen ist, welches eine Funktion der Relativstellung der mittleren Platte gegenüber den beiden äußeren Platten ist, während die zweite äußere Platte auf virtuellem Erdpotential gehalten wird.

8. Umformer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste äußere Platte (28) als kreisförmige Scheibe ausgebildet und über eine Leitung mit einer Wechselspannungsquelle (60) verbunden ist, daß die zweite äußere Platte (26) ebenfalls eine kreisförmige Scheibe ist und mindestens einen gegenüber ihrer restlichen Fläche isolierten elektrisch leitfähigen Anschnitt (44) aufweist, daß eine Einrichtung zur Halterung der beiden äußeren Platten in praktisch paralleler Lage und mit länge einer gemeinsamen Linie liegenden Mittelpunkten zueinander vorgesehen ist, daß die mittlere Platte (30) halbkreisförmig ist und über einen Kontakt mit einem auf Erdpotential liegenden Punkt verbunden ist, daß die Halterungs-Einrichtung (16, 52, 54) die mittlere Platte in praktisch paralleler Lage zwischen den beiden äußeren Platten und mit fluchtenden Mittelpunkten aller drei Platten haltert und ein Mittel (16) zur Änderung der Relativ-Winkelstellung zwischen den beiden äußeren Platten einerseits und der mittleren Platte andererseits aufweist und daß der von der restlichen Fläche der zweiten äußeren Platte isolierte leitfähige Anschnitt über eine Leitung mit dem Eingag eines gegengekoppelten Verstärkers (62) verbunden ist.

9. Umformer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein anderer Abschnitt (42) der zweiten äußeren Platte als der isolierte leitfähige Abschnitt (44) über eine Leitung mit einem auf Erdpotential liegenden Punkt verbunden ist.

10. Umformer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der von der restlichen Fläche der zweiten äußeren Platte isolierte leitfähige Abschnitt (44) durch den zwischen zwei konzentrischen, um den Mittelpunkt der Scheibe herum geschlagenen Halbkreisen festgelegten Flächenabschnitt gebildet ist.

11. Umformer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des von der restlichen Fläche der zweiten äußeren Platte isolierten leitfähigen Abschnitts (94) unregelmäßig um den Kreismittelpunkt angeordnet ist.

12. Umformer naoh einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite äußere Platte mehrere gegeneinander isolierte leitfähige Bereiche (70, 72) aufweist, die gemeinsame Begrenzungslinien aufweisen und sich über einen bestimmten Winkelbereich um einen gemeinsamen Mittelpunkt erstrecken, daß das eine Stellungsänderung ermögliche Mittel (16) eine Drehung zur Änderung der relativen Winkel stellung zwischen der mittleren Platte und mindestens der zweiten äußeren Platte zuläßt so daß die mittlere Platte die leitfähigen Bereiche der zweiten äußeren Platte veränderlich gegenüber der ersten äußeren Platte abschirmt, und daß eine die verschiedenen leitfähigen Bereiche abwechaelnd mit dem Eingang des Verstärkers (88) verbindende Schalteinrichtung (80, 82) vorgesehen ist, welche über ein Glied (92) mit dem eine Drehbewegung ermögli chenden Mittel (16) gekoppelt ist.

13. Umformer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite äußere Platte (26) zwei leitfähige Bereiche (70, 72) aufweist, die Jeweils durch die Fläche zwischen zwei konzentrischen, um den gemeinsamen Mittelpunkt herum gezogenen Halbkreisen festgelegt sind, welche einander gegenüberliegend cun den gemeinsamen Mittelpunkt herum angeordnet sind.