DE1813153B2 - Kapazitiver messumformer zur umformung mechanischer wegaenderungen in elektrische groessen - Google Patents

Description

a) die zweite ,iondensatorplatte (26, 76, 96) weist zwei elektrisch gegeneinander isolierte Bereiche (42 bzw. 44; 70, 72 bzw. 74; 94) auf, von denen der eine (44) zusammen mit der ersten Kondensatorplatte (28) die Koppelkapazität (C₁) bildet;

b) der eine Bereich (44) der zv.eiten Kondensatorplatte (26) liegt auf virtuellem Erdpotential.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, üdß die Abschirmplatte (30) über Kontaktglieder (51,66) ro^;t Erdpotential verbunden ist.

3. Meßumformer nach Anspruch ' oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltungsanordnung (62, 64; 88, 90) zur Erzeugung der Ausgangssignale des Meßumformers vorgesehen ist, die eine in einem Parallelzweig zur Kapazität zwischen dem einen Bereich (44) der zweiten Kondensatorplatte (26) und der Abschirmplatte (30) liegende effektive Kapazität (C₃) aufweist, welche größer ist als die Kapazität zwischen dem Bereich (44) und der Abschirmplatte.

4. Meßumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (62, 64; 88, 90) eine Verstärkerschaltung mit Gegenkopplung beinhaltet, an deren Eingang der Bereich (44) der zweiten Kondensatorplatte (26) angeschlossen ist.

5. Meßumformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (62, 64) zur Gegenkopplung einen Unitygain-Verstärker (100) aufweist, dessen Eingang an den Bereich (44) der zweiten Kondensatorplatte (26) und dessen Ausgang an die Abschirmplatte (30) angeschlossen ist.

6. Meßumformer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Köndensatorplatte (28) eine der zweiten Kondensatorplatte (26) ähnliche Form besitzt Und an eine Wechselspannungsquelle (60) angeschlossen ist und daß die Abschirmplatte (30) eine durch einen Halbkreis umrissene Form besitzt.

7. Meßumformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Bereich (42) der zweiten Kondensatorplatte (26) auf Erdpotential liegt.

8. Meßumformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorplatten (26, 28) und die Abschirmplatte (30) kreisförmige Scheiben sind und daß der eine Berfcieh (44) der zweites Kondensatorplatte (26) durch einen zwischen zwei konzentrischen, um ätu Mittelpunkt der Kondensatorplatte herumgeschlagenen Halbkreisen festgelegten Flächenabschnitt gebildet isL

9. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des einen Bereichs (94) der zweiten Kondensatorplatte (96i) um den Kreismittelpunkt herum variierende Größe besitzt

10. Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 Ms 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der zweiten Kondensatorplatte (76) mehrere gegeneinander isolierte leitfähige Bereiche (70, 72) vorgesehen sind, die gemeinsame Begrenzungslinien aufweisen und sich über einen bestimmten Winkelbereich um einen gemeinsamen Mittelpunkt erstrecken, und daß eine die verschiedenen leitfähigen Bereiche abwechselnd mit dem Eingang des Verstärkers (88) verbindende Schalteinrichtung (80,82) vorgesehen ist, welche über ein Glied (92) mit der Einrichtung (16) zur Änderung der Relativstellung von Kondensatorplatten und Abschirmplattt gekoppelt ist.

11. Meßumformer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kondensatorplatte (26) zwei leitfähige Bereiche (70, 72) aufweist, die jeweils durch die Fläche zwischen zwei konzentrischen, um den gemeinsamen Mittelpunkt herumgezogenen Halbkreisen festgelegt sind, welche einander gegenüberliegen und um den gemeinsamen Mittelpunkt herum angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Meßumformer zur Umformung von mechanischen Wegänderungen in elektrische Größen, mit zwei einander zugewandten praktisch parallel zueinander angeordneten Kondensatorplatten und einer zwischen diesen angeordneten Abschirmplatte, wobei die gegenseitige Lage von Abschirmplatte und Kondensatorplatten zur Änderung der Koppelkapazität zwischen letzteren relativ zueinander veränderbar ist und die erste der Kondensatorplatten an eine elektrische Eingangssignalijuelle angeschlossen ist.

Auf dem Gebiet der Meß- und Regelgeräte werden zu messende Größen, wie Relativbewegungen, Durchsatzmengen, Drücke usw., allgemein mittels Umformer in elektrische Signale umgeformt. Im allgemeinen wird die Meßgröße in eine Längs- oder eine Kreisbewegung umgewandelt bzw. stellt sie schon 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 Funktion, wie einer linearen, einer logarithmischen oder einer exponentiellen Funktion folgen.

Die Umformer sind häufig als Fühler in Rückführkreise von Servosystemen, z. B. von Aufzeichnungsgeräten, eingebaut und liefern eine Anzeige des Ausschlags bzw. der Stellung eines mechanischen Elements, wie eines Aufzeichnungsstifts. In solchen Anwendungsgebieten ist der Umformer langen Betriebszeiten unterworfen, wobei er häufig minimalen

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Ausschlägen über einen kleinen Teil seines Meß- die Koppeikäpäzität bildet und der eine Bereich der bfireichs hinweg dynamisch schwankenden Meßwert- zweiten Kondensätorplätte ätif virtuellem Erdpötenänderungen ausgesetzt ist, wie im Fall der Aufzeich- fiäl liegt. .

nung Oder Überwachung von Wechselstromsignalett Der erfindungsgemäße Meßuniformer weist vör-

niedriger Amplitude. Aus diesem Grund ist es vor- 5 teilhafterweise hohes Auflösungsvermögen sowie teilhaft, Umformer einzusetzen, welche kerne stör- absolute Reproduzierbarkeit ühd Stabilität auf und anfälligen Schleifkontakte aufweisen. ist darüber hinaus in der Lage, die gewünschte Fünk-

Es ist bereits ein kapazitiver Meßumformer be- tion der Beziehung von Ausgangs- und Eingängskannt (deutsche Patentschrift 1 172 863), der aus signal zu erzeugen und exakt einzuhalten. Außerdem zwei praktisch parallel nebeneinander angeordneten ιό weist der Umformer niedrige mechanische Trägheit Kondensatorplatten besteht, zwischen welchen eine und geringe Reibungswerte auf, welche zu einer drehbar gelagerte Abschirmplatte parallel zu den weiteren Erhöhung der Meßgen lüigkeit beitragen. Kondensatorplatten angeordnet ist. Die Fläche der Der erfindungsgemäße Meßumformer kann Ferner in Abschirmplatte ist gegenüber ihrem Drehpunkt un- Vorrichtungen verwendet werden, die stärken symmetrisch ausgebildet, so daß die Kopßelkapa- 15 Schwingungen ausgesetzt sind b-zw. Schwingungen zität zwischen den beiden Kondensatorplatten durch erzeugen.

Verdrehen der Abschirmplatte variiert we.den kann. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen

Nachteiligerweise tritt bein einem derartigen Meß- Meßumformers besteht darin, -'aß bedarfsmäßig umformer zwischen der Abschirmplatte und den bei- Kondensatorplatten entweder zur Erzielung einer den Kondensatorplatten eine Störkapazität auf, 20 linearen oder einer unlinearen Meßgröße verwendet weiche insbesondere durch Erschütterung der Ab- werden können.

schirmplatte bzw. durch Änderung des Abstands Vorteilhafterweise unterliegt der erfindungsgemäße

zwischen den Kondensatorplatten variiert wird und Meßur .former praktisch keinem mechanischem Verdie Meßgenauigkeit der Vorrichtung beeinträchtigt. schleiß, gewährleistet somit eine hohe Betriebslebens-Ein anderer bekannter kapazitiver Meßumformer 35 dauer und kann wegen seiner einfachen Konzeption (deutsche Patentschrift 1 179 014) weist zwei koaxial außerdem wirtschaftlich hergestellt werden, zueinander angeordnete Zuführungskondensatoren Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen

mit ringförmigen Platten auf, welche in bestimmtem der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher er-Abstand voneinander fest angeordnet sind. Dieser läutert. Es zeigt

bekannte Meßumformer hat jedoch den Nachteil, 30 F i g. 1 eine perspektivische Darstellung des Gedaß auftretende Schwingungen bzw. Kräfte durch häuses eines kapazitiven Meßumformers mit den Verschiebung der einander zugeordneten Zufüh- Merkmalen der Erfindung,

rungskondensatoren eine Änderung des Meßwerts F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1,

hervorrufen. Bei einem derartigen Meßumformer F i g. 3 eine Aufsicht auf den hinteren Deckel des

werden zwar die Meßgenauigkeiten nicht durch ver- 35 Gehäuses gemäß Fig. 1,

änderliche S*örkapazitäten beeinflußt, jedoch wird F i g. 4 eine Ausführungsform einer äußeren Kon-

die Größe der Meßwerte durch die vorhandene Stör- densatorplatte des erfindungsgemäßen Meßumformers kapazität auf einen bestimmten Wert festgelegt. rnh einem einzigen Aktivabschnitt,

Außerdem sind noch Differentialkondensator-An- Fig. 5 eine Ansicht einer abgewandelten Ausfüh-

ördnungen bekannt (Grave: Elektrische Messung 40 fungsforrn einer Kondensatorplatie mit zwei Aktivhichtelektrischer Größen, 1962; Rohrbach: Hand- abschnitten,

buch für elektrisches Messen mechanischer Größen, F i g. 6 eine Ansicht einer Kondensatorplatte mit

1967; Eder: Moderne Meßmethoden der Physik, einem nichtlinearen Aktivabschnitt, Bd. 1, 1952), die zur Umformung mechanischer Weg- Fig. 7 eine Aufsicht auf eine drehbare leitfähige

änderungen in elektrische Größen verwendet werden 45 Abschirmplatte des Meßumformers, können. Allerdings tritt auch hier jeweils eine zwi- F i g. 8 eine Seitenansicht der Platte gemäß F ig. 7,

sehen Abschirmplatte und Kondensatorplatten wir- F i g. 9 eine Aufsicht auf den vorderen Deckel des

kende Störhapazität auf, die insbesondere durch Ver- Meßumformergehäuses gemäß F i g. 1, Schiebung der Abschirmplatte geändert wird und zur Fig. 10 eine schimärische perspektivische Dar-

Meßungenauigkeit der Anordnung beiträgt. Bei be- 50 stellung eines erfindungsgemäßen Meßumformers mit kannten kapazitiven Meßvorrichtungen (deutsche seinen elektrischen Anschlüssen, Auslegeschrift 1 141 464), welche zwei gegeneinander Fig. 11 eine abgewandelte Ausführungsform der

verstellbare Kondensatorplatten aufweisen, sind eben- Anordnung gemäß Fig. 10 mit der Kondensatorfalls erhebliche Meßfehler zu berücksichtigen, da platte gemäß Fig. 5 und den Anschlüssen hierfür, durch Veränderung der Kondensatorflächen bzw. 55 Fig. 12 eine schematische perspektivische Dar-Verdrehung der Platten gegeneinander die Parallel- stellung des Meßumformers mit einer abgewandelten lage der Platten beeinflußt Wird und zwischen den Ausführungsform der elektrischen Anschlüsse, Platten Kapazitätsähderungen hervorgerufen werden. Fig. 13 ein elektrisches Blockschaltbild eines

Aufgabe der Erfindung demgegenüber ist es, einen äquivalenten Stromkreises des Meßumformers gemäß kapazitiven Meßumformer zur Umformung einer 60 Fig; IO und

mechanischen Wegänderung in elektrische Größen zu Fig. 14 ein elektrisches Blockschaltbild eines

schaffen, der unempfindlich gegenüber quer zu seiner äquivalenten Stromkreises der Vorrichtung gemäß normalen Meßrichtung einwirkenden Kräften ist und Fig. 12.

eine hohe Meßgenauigkeit gewährleistet. Die in Fig. 1 dargestellte Ausführühgsform des

Diese Aufgabe wird .irfindungsgemäß dadurch ge- 6₅ erfindungsgemäßen Meßumformers 10 besteht aus löst, daß die zweite Kondensatorplatte zwei elektrisch einem durch einen hinteren Deckel 12 Und einen gegeneinander isolierte Bereiche aufweist, von denen vorderen Deckel 14 gebildeten Gehäuse zur Aufder eine zusammen mit der ersten Kondensatorplatte nähme der kapazitiven Elemente. Eine aus dem

Gehäuse herausragende drehbare Welle 16 kann an Signalgeber angekoppelt. Der Passivbereich 42 der

ein mechanisches Meßobjekt angekoppelt werden, Kondensatorplatte 26 liegt an Erde, während der

dessen Winkelausschlag gemessen werden soll. Die Aktivbereich 44 mit einem Verstärker 62 verbunden

beiden Deckel 12,14.sind mit Hilfe von Schrauben ist, der mit einem Kondensator64 gegengekoppelt

18 miteinander verbunden. Die Welle 16 wird durch 5 ist. Die Abschirmplatte 30 ist über die Büchse 51

einen Sicherungsring oder eine Sicherungsscheibe 17 mittels eines Schleifringkontakts 66 geerdet. Da der

(F i g. 2) in ihrer Lage gehalten. Die elektrischen Meßumformer 10 in erster Linie in Verbindung mit

Anschlüsse werden durch Leitungen 20 hergestellt, periodischen Signalen angewandt wird, haben die

welche aus dem hinteren Deckel 12 austreten. Kontaktpotentiale zwischen der Büchse 51 und dem

Der Meßumformer weist zwei vorrichtungsfest io Schleifring 66 keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit, montierte, praktisch parallele, elektrisch leitfähige Außerdem braucht auch der Übergangswiderstand Kondensatorplatten 26 und 28 sowie eine zwischen des Kontakts nicht genau überwacht zu werden, da diesen angeordnete drehbar gelagerte leitfähige Ab- die durch den Schleifkontakt gebi dete kapazitive schirmplatte 30 auf, die auf der Welle 16 befestigt Kopplung in jedem Fall die Erdung der Abschirmist (Fig. 2, 10 und 12), welche ihrerseits drehbar in 15 platte30gewährleistet.

Lagern 32, 34 im vorderen Deckel 12 bzw. hinteren Die Platten 26, 28 und 30 sind derart angeordnet.

Deckel 14 gelagert ist. daß die Abschirmplatte 30 als veränderliche Ab-

In den F i g. 4 bis 6 sind drei Ausführungsformen schirmung zwischen den beiden Kondensatoren wirkt, der äußeren Kondensatorplatte 26 dargestellt. Die Da die Kapazität eines Plattenkondensators den Kondensatorplatte 26 kann beispielsweise aus einer ao Plattenoberflächen direkt proportional ist, ist demkreisförmigen Scheibe aus einem Isoliermaterial be- nach die Kapazität zwischen den Kondensatorplatten stehen, wie es beispielsweise für Platinen von ge- 26 und 28 der Größe der Kondensatorplatte 28 und druckten Schaltungen verwendet wird, und in ihrer dem nicht durch die Abschirmplatte 30 abg^schirm-Mitte eine öffnung 40 zur Durchführung der Welle ten AV chnitt des Aktivbereichs 44 proportional. 16 aufweisen. Die eine Seite der Kondensatorplatte as Wenn die Abschirmplatte 30 aus einer Ausgangs-26 ist mit einem dünnen Film, beispielsweise einem stellung, in welcher sie den Aktivbereich 44 voll-Kupferfilm, überzogen, der bei der Ausführungsform ständig abschirmt, über einen Winkel von 180° bis gemäß F i g. 4 in zwei Bereiche unterteilt ist, nämlich zu einem Punkt verdreht wird, an welchem der einen Aktivbereich 44 und einen Passivbereich 42, gesamte Aktivbereich freiliegt, ändert sich die Kapawelche durch einen dünnen Trennsteg 45 vonein- 30 zität linear von einem gegen Null gehenden Mindestander isoliert sind. Die Kondensatorplatte 26 kann wert auf einen bei 180° erreichten Höchstwert,
nach herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Zur Herstellung eines kontinuierlich drehbaren gedruckten Schaltungen hergestellt werden. Der kapazitiven Meßumformers kann die Kondensator-Aktivbereich 44 besitzt bogenförmige Gestalt die platte 26 gemäß F i g. 5 auch derart beschichtet sein, durch zwei konzentrische Halbkreise verschiedenen 35 daß sie zwei Aktivbereiche 70 und 72 aufweist, die Durchmessers festgelegt wird. sich jeweils über einen Winkel von nahezu 180°

Die Kondensatorplatte 26 ist in eine Ausnehmung erstrecken und jeweils ähnliche Bogenform wie der 46 im hinteren Deckel 12 eingesetzt, wobei die Aktiybereich 44 gemäß F i g. 4 besitzen. Die Aktivkupferbeschichtete Seite der bewegbaren Abschirm- bereiche 70 und 72 sind durch einen dünnen Trennplatte 30 zugewandt ist (F i g. 2). Die elektrischen 40 ^ste8 78 voneinander und auch von Passivbereichen Anschlüsse für die Aktiv- und Passivbereiche der 74 ^und 76 isoliert. Diese abgewandelte Kondensator-Kondensatorplatte 26 bestehen aus den im Deckel 12 platte 26 kann an eine in F i g. 11 dargestellte Schalvorgesehene Löcher 22 und in der Kunststoffscheibe tung angeschlossen werden, welche bei jeweils 180° vorgesehene Löcher 23 durchsetzenden Leitungen 20, Drehung der Welle 16 vom einen auf den anderen welche an der leitfähigen Beschichtung angelötet 45 Aktivbereich umschaltet. Die Passivbereiche 74 und sind. 76 sind geerdet, während die Aktivbereiche /0 und

Die Abschirmplatte 30 besteht ebenfalls aus einer 72 an getrennte Kontakte 80 und 82 eines Umschalkreisförmigen Scheibe aus Isolier-Kunststoff und rät ters 84 angeschlossen sind, dessen Schaltann 86 an mit einer dünnen Kupfer-Metall-Beschichtung 50 den Eingang eines über einen Kondensator 90 gegenversehen, welche gemäß Fig. 7 die obere Hälfte der 50 gekoppelten Verstärkers 28 angeschlossen ist Der Scheibe bedeckt und durch eine Metallbüchse 51 mit Umschalter 84 wird durch eine Nockenscheibe 92 der Welle 16 elektrisch verbunden ist Die Abschirm- gesteuert, weiche sich zusammen mit der Welle 16 platte 30 dreht sich gemeinsam mit der Welle 16 und dreht und bei jeweils 180° Drehung vom einen Aktivist im Gehäuse derart angeordnet daß die Schicht 50 bereich auf den anderen umschaltet
der Kondensatorplatte 26 zugewandt ist (Fig. 2). 55 ^Falls die Abhängigkeit der Ausgangssignale von

Die Kondensatorplatte 28 besteht ebenfalls aus der Drehung der Welle 16 nichtlinear sein soll, kann einer kreisförmigen Scheibe aus Isolier-Kunststoff die Platte 26 beispielsweise auf die in Fig. 6 dar- und ist mit einem dünnen Kupferfilm52 versehen, gestellte Weise abgewandelt werden. Hierbei weist welcher die ganze der Abschirmplatte 30 (Fig. 2) ein Aktivbereich 94 die Form eines gekrümmten zugewandte Fläche überzieht Die Kondensatorplatte 60 Keils auf und ist gegenüber einem Passivbereich 96 28 ist fest in eine Ausnehmung56 (Fig. 9) im vor- durch einen dünnen Trennsteg98 isoliert Bei der deren Deckel 14 eingebaut, wobei die elektrischen Drehung der Welle 16 wird durch den an den Aktiv-Anschlüsse durch ein im hinteren Deckel 12 vor- bereich 94 angeschlossenen Verstärker ein Signal gesehenes Loch 54 geführt sind. erzeugt dessen Amplitude sich als Funktion der

Die Fig. 10 bis 14 dienen der Erläuterung des 65 Drehung der Welle 16 nichtlmear änden.

Anfbans der elektrischen Schaltang and der Arbetts- Vorzugsweise sollte der Abstand d. zwischen den

weise des kapazitiven Umformers. Die Kondensator- Platten 26 und 30 (Fig. 10) im Vergleich zur Länge

platte 28 ist an eme Wechselspannungsquelle 60 als ^²™- Umfangserstrecknng des Aktivbereichs 44 der

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Kondensatorplatte 26 klein sein, um die Krümmung Falls zwischen dem Aktivbereich 44 und der Ab- oder Streuung am Außenrand des Felds zwischen schirmplatte 30 ein äußerst kleiner Abstand d_x vorden Kondensatorplatten 26 und 28 so klein wie mög- gesehen ist, kann es wünschenswert sein, zur Gewährlich zu halten, da ein derartiger Effekt sonst im Fall leistung zufriedenstellender Linearität gemäß Fig. 12 des linearen Aktivbereichs 44 an den Enden des 5 ein »bootstrapptng«-Verfahren anzuwenden. In diesem Betriebsbäreichs der Abschirmplatte 30 und im Fall Fall ist die Büchse 51 elektrisch mit der Abschirmdes nichtlinearen Aktivbereichs 94 gemäß Fig. 6 platte 30 verbunden, jedoch gegenüber der Welle 16 über den ganzen Bewegungsbereich der Abschirm- isoliert. Wie im Fall von Fig. 10 ist der Aktivbereich platte 30 hinweg feststellbar wäre. 44 an den Verstärker 62 angeschlossen und werden

Wenn die Platten 26 und 30 dicht nebeneinander io die von der Wechselspannungsquelle 60 kommenden angeordnet sind, wird die Kapazität zwischen der Signale an die Kondensatorplatte 28 gelegt. Der Abschirmplatte 30 und dem Aktivbereich 44 im Ver- Aktivbereich 44 gemäß Fig. 12 ist ebenfalls an einen gleich zur Kapazität zwischen den Kondensator- Eingangskreis eines Unity-gain-Verstärkers 100 angeplatten 26 und 28 ziemlich groß, und zwar insbeson- schlossen, dessen Ausgang mit dem Schleifring 66 verdere dann, wenn die Abschirmplatte 30 den ganzen x$ bunden ist. Dieser Verstärker 100 gewährleistet, daß Aktivbereich 44 abschirmt. Hierdurch wird ein kapa- kein Potentialunterschied zwischen der Abschirmzitiver Spannungsteiler gebildet, wie dies durch die platte 30 und dem Aktivbereich 44 auftritt, wodurch gestrichelten Linien in Fig. 13 angedeutet ist. Der der Einfluß des Kondensators C₂ wirksam unterveränderliche Kondensator C, entspricht der Kapa- drückt wird. Ein äquivalentes Ersatzschaltbild des zität zwischen den Kondensatorplatten 26 und 28, ao kapazitiven Umformers ist in Fig. 14 dargestellt. In- und der einstellbare Kondensator C₂ entspricht der dem wirksam das gleiche Signal an beiden P'atten Kapazität zwischen der Abschirmplatte 30 und dem des Kondensators C₂ aufrechterhalten wird, wird das Aktivbereich 44, wobei sich die Größe der Konden- elektrische Feld zwischen ihnen auf ein Mindestmaß satoren C₁ und C₂ bei einer Drehung der Welle 16 vpiringert.

umgekehrt zueinander ändert. Zur Gewährleistung »5 Bei den Ausführungsformen des Umformers gemäß einer genauen Anzeige der Kapazität zwischen der den Fig. 10 bis 12 ist zu beachten, daß, da die Ab-Konde .satorplatte 28 und dem Aktivbereich 44 als schirmplatte 30 und der Aktivbereich 44 auf prak-Funktion einer Drehung der Welle 16 muß die Aus- tisch demselben Signal wert gehalten werden und die wirkung der Kapazität C₂ ausgeschaltet oder auf Kapazität zwischen ihnen mithin wirksam untereinen Wert vermindert werden, bei welchem sie ver- 30 drückt wird, insbesondere kleine Bewegungen der nachlässigbar ist. Abschirmplatte 30 auf die Kondensatorplatten 26

Die Wirkung des Kondensators C₂ wird beim Aus- und 28 zu oder von ihnen weg keine unerwünschten führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Umformers Auswirkungen haben. Demzufolge muß nur der Abdadurch auf ein Mindestmaß verringert, daß die Ab- stand zwischen den vorrichtungsfesten Kondensatorschinnplatte 30 und der Aktivbereich 44 auf prak- 35 platten 26 und 28 sorgfältig eingehalten werden, tisch dem gleichen Signalpotential gehalten werden. Darüber hinaus kann die Abschirmplatte 30 eine ge-Dies geschieht gemäß Fig. 10 dadurch, daß der wisse Freiheit bei ihrer Bewegung auf die Konden-Aktivbereich 44 an den Eingang des Verstärkers 62, satorplatten 26 und 28 zu und von diesen weg haben, beispielsweise eines Operationsverstärkers mit hohem Alle quer zur Achse der Welle 16 gerichteten Kräfte, Verstärkungsfaktor und starker Gegenkopplung ge- 40 welche die parallele Ausrichtung der Abschirmplatte legt wird, so daß der Eingang auf virtuellem Erd- 30 zu verändern trachten, erzeugen nur kleine oder potential liegt. Da die Abschirmplatte 30 direkt ge- gar keine Fehler. Im Gegensatz hierzu erfordern die erdet ist und der Aktivbereich 44 praktisch ebenfalls herkömmlichen kontaktfreien Meßumformer eine sehr auf Erdpotential gehalten wird, kann sich zwischen genaue Justierung und Konstanz des bewegbaren den beiden Platten kein elektrisches Feld aufbauen. 45 Elements gegenüber den ortsfesten Elementen, so

Die effektive Eingangsimpedanz X des an den daß sie empfindlich gegenüber quer zur eigentlichen Aktivbereich 44 angeschlossenen Verstärkers ent- Bewegungsrichtung einwirkenden Kräften sind, spricht der Impedanz eines äquivalenten Konden- Obgleich sich die vorstehende Beschreibung in tors Ca, wobei raster Linie auf eine Anordnung bezieht, bei welcher χ _ y . χ n\ So die Kondensatorplatten 26, 28 des Meßumformers ** ° ' voTrichtungsfest sind und die dazwischenliegende Abist, worin V₀ die Leerlaufverstärkung des Verstärkers schirmplatte 30 beweglich angeordnet ist, ist der und C₃ den Rückkopplungskondensator bedeuten. Meßumformer selbstverständlich auch dann funk-

Es hat sich gezeigt, daß der Wert von Xcet nm tionsfähig, wenn die Abschirmplatte 30 vorrichtungs-

mindestens drei Größenordnungen größer als der 55 fest gehalten wird und die beiden Kondensatorplatten

Maximalwert von X_Cz eingestellt werden kann, wenn 26 und 28 gemeinsam verdreht werden. Darüber

der Aktivbereich 44 vollständig durch die Abschirm- hinaus können auch die Kondensatorplatten 28 and

platte 30 abgeschirmt ist 30 stillstehen, während die den Aktivbereich 44 auf-

Infolgedessen sind auf C₂ zurückzuführende Fehler weisende Kondensatorplatte 26 gegenüber den beiden

kleiner als 0,1"/«, so daß der Ausgang des Verstärkers 60 anderen Platten verdreht wird.

(A₀) angenähert durch die Gleichung Der Verstärker gemäß den F i g. 10 bis 14 gibt eta

Wechselspannungssignal derselben Form ab, wie sie _{A = £}._Q_ _i2) ^dmch rf"⁵ Wechselspamnnigsquene6e erzeugt wird.

⁰ C₃ ¹P d⁶⁰.™⁴*⁵⁰⁵⁰ Men wird dieses Wechsekparmungs-

65 signal jedoch in ein Gleichspannungssignai smgewan-

dargestellt wird, in welcher £ die an die Konden- delt, was beispielsweise mittels Präzisions-Gleichsatorplatte 28 angelegte Amplitude des Eingangs- richter-Sciialtungen unter Verwendung von Gleichsignals bedeutet. stromwrelärkem hohen Veretärkungsgrads mit Gleich-

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richtern im Rückkopplungskreis erfolgen kann. Zur Reproduzierbarkeit und Stabilität. Der Meßumformer

Gewährleistung maximaler Genauigkeit und geringster vermag verschiedene nichtlineare Verhältnisse von

Welligkeit nach der Gleichrichtung sollte die Wechsel- Eingang zu Ausgang zu bestimmen und weist außer-

spannungsquelle Rechteckimpulse liefern, da hier- dem keine kritischen Schleifkontakte auf, so daß

durch die Steuerung und Konstanthaltung der Ampli- 5 keine Verschleißprobleme bestehen und die mechä-

tude des Eingangssignals vereinfacht wird. Die Fre- nische Hemmung der Welle durch Reibung auf ein

quenzstabilität der Sginalquelle ist nicht kritisch, da Mindestmaß gesenkt wird. Da der Meßumformer

die Übertragungsfunktion des Systems durch die darüber hinaus drei leitfähige Platten verwendet,

Kapazitätsverhältnisse bestimmt wird. welche in gleicher Weise wie Platinen von gedruckten

Obgleich der kapazitive Meßumformer vorstehend to Schaltungen hergestellt werden können, und da die

in Verbindung mit dem Anlegen eines Eingangs- Axialstellung des bewegbaren Elements nicht genaue-

signals an die Kondensatorplatte 28 und der Ab- stens aufrechterhalten zu werden braucht, kann der

nähme des Ausgangssignals vom Aktivbereich 44 be- Meßumformer vergleichsweise billig hergestellt wer-

schrieben ist, können die Anschlüsse ersichtlicher- den und dennoch das gewünschte und erforderliche

weise auch vertauscht werden, indem das von der 15 hohe Maß an Linearität, Stabilität, Reproduzierbar-

Wechselspannungsquelle 60 gelieferte Eingangssignal keit und unendlichen Auflösungsvermögen gewähr-

an den Aktivbereich 44 angelegt wird, während die leisten.

Kondensatorplatte 28 an den Eingang des Verstärkers Obwohl der Meßumformer vorstehend in Verbin-62 angeschlossen wird. Das Ergebnis würde in einer dung mit zwei vorrichtungsfesten Kondensatorplatten Änderung der Effektivfläche der ersten Kondensator- ao und einer dazwischen angeordneten, drehbaren Abplatte an Stelle der Fläche der an den Eingang des schirmplatte beschrieben wurde, kann er ohne weite-Verstärkers 62 angeschlossenen Kondensatorplatte res auch derart abgewandelt werden, daß er für bestehen. Translationsbewegungen ausgebildet ist und zwei

Der erfindungsgemäße kapazitive Meßumformer vorrichtungsfeste Kondensatorplatten sowie eine daist eine kontaktfreie Vorrichtung unendlichen Auf- as zwischen angeordnete, geradlinig bewegbar gelagerte lösungsvermögens sowie ausgezeichneter Linearität, Abschirmplatte aufweist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

I 813 Patentansprüche:

1. Kapazitiver Meßumformer zur Umformung von mechanischen Wegänderungen in elektrische Größen, mit zwei einander zugewandten praktisch parallel zueinander angeordneten Kondensatorplatten und einer zwischen diesen angeordneten Abschirmplatte, wobei die gegenseitige Lage von Abschirmplatte und Kondensatorplatten zur Änderung der Köppelkapäzität zwischen letzteren relativ zueinander veränderbar ist und die erste der Kondensatorplatten an eine elektrische Eingangssignalquelle angeschlossen ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: