DE1905932A1 - Kapazitives Potentiometer - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R Weickmann, I

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 27, DEN

MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 483921/22

THE SANK ORGANISATION LIMITED,

11 Belgrave Road, London S. W. 1, England

Kapazitives Potentiometer

Die Erfindung bezieht sich auf ein kapazitives Potentiometer, das sich zur Bestimmung der relativen Lage bzw. der Änderung der relativen Lage zweier relativ zueinander bewegbarer Teile oder zur Einstellung oder Steuerung einer gewünschten relativen Lage zweier derartiger Teile eignet. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Anordnung, die auf die relative Lage zweier relativ zueinander bewegbarer Teile reagiert und die zwei oder mehr voneinander getrennte und in einer Reihe nebeneinander angeordnete elektrische Elemente und eine Elektrode enthält. Die betreffenden Elemente und die Elektrode sind dabei so angeordnet, daß sie relativ zueinander bewegbar sind, und zwar entlang der Reihe der Elemente, und mit den Teilen verbunden sind. Ferner ist an die Elemente eine Potentialquelle angeschlossen, die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das die Elektrode auf ein Potential bringbar ist, das kennzeichnend für deren Stellung in Bezug auf die Elemente ist.

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Derartige Anordnungen werden in Verbindung mit ver- ' schiedenen Meß- und/oder SteuerschaTtungen verwendet,um eine direkte Messung der Stellung der Ilektrode in Bezug auf die Reihe der Elemente zu ermöglichen. Der betreffenden Stellung entspricht dabei das an der Elektrode jeweils herrschende Potential. Solche Meßschaltungen und --.■'■/ Vorrichtungen werden hier nicht beschrieben, da sie nicht · Gegenstand der Erfindung sind. Derartige Potentiometer-Anordnungen haben sich gegenüber Umgebungseinflüssen als j sehr empfindlich erwiesen, die die Bahn'und die !Form des · _: elektrischen Feldes zwischen den Elementen und der Elek- trode ändern; dies betrifft auch die Bahn des End- oder . :; Polfeldes der Elektrode. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere Feuchtigkeit die Genauigkeit derartiger Anordnungen' erheblich beeinflußt. Solche Anordnungen bzw» Einrichtungen können daher nicht für sehr genaue Messungen verwendet werden, ohne daß nicht eine sehr genaue Umgebungs-Feuchtigkeitsregelung erfolgt«, Dies ist jedoch in den meisten Fällen, Ik denen derartige Einrichtungen verwendet werden könnten, nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein kapazitives Potentiometer zu schaffen, das die aufgezeigten Nachteile vermeidet und einfach aufgebaut ist. Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem kapazitiven Potentiometer mit wenigstens zwei in einer Reihe angeordneten, elektrisch voneinander getrennten Elementen, und mit einer Elektrode, die relativ zu den Elementen bewegbar isty wobei durch Anschluß einer Potentialquelle an die Elemente* zwischen diesen ein elektrisches Feld erzeugbar ist, durch . das die Elektrode auf ein ihrer Stellung in Bezug auf die Elemente entsprechendes Potential bringbar ist. Dieses käpa-

zitive Potentiometer iet erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß neben den Kanten der Elemente und der Elektrode

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Luftspalte vorgesehen sind, die so ausgebildet sind, daß

im
das/Potentiometerinneren wirksame elektrische Feld unter Vermeidung asymmetrischer Verzerrungen aufgrund von Änderungen von Umgebungseinflüssen, insbesondere des Feuchtigkeitsgehalts,unabhängig von der jeweilige Stellung der Elektrode in Bezug auf die Elemente als Dielektrikum lediglich Luft durchquert.

Durch die Erfindung ist also eine Anordnung geschaffen, die die oben aufgeführten Nachteile beseitigt, und zwar dadurch, daß sie das Auftreten von asymmetrischen Verzerrungen des elektrischen Feldes zwischen der Elektrode und der Reihe der Elemente bei Änderungen der Umgebungsbedingungen und insbesondere bei Feuchtigkeitsgehaltsänderungen verhindert.

Gemäß der Erfindung werden die Elektrode und die Elemente an ihren zugehörigen Teilen durch Einrichtungen festgehalten, welche das Auftreten von unsymmetrischen Feldverzerrungen bei Änderungen der Umgebungsbedingungen, und zwar insbesondere bei Änderungen des Feuchtigkeitsgehalts des Dielektrikums des kapazitiven Potentiometers, unterdrücken.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend naher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Seiten-Teilschnittansicht einer Ausführungsform -eines kapazitiven Potentiometers gemäß der _ Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht in der.in Fig. 1 eingetragenen Schnittebene II-II.

Fig. 3 bis 5 zeigen schematisch in Längsschnittansichten Ausführungsvarianten des kapazitiven Potentiometers gemäß der Erfindung.

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Pig. 6 veranschaulicht schematisch den Einfluss einer Änderung des Feuchtigkeitsgehalts in der Umgebung eines bekannten Potentiometers auf dessen Einstellkennlinie.

Bevor auf die Erfindung näher eingegangen wird, sei zur Fig. 6 bemerkt, daß die dort eingetragene gestrichelte Linie die Kennlinie eines Potentiometers bei zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt ist. Die normale Kennlinie des Potentiometers ist durch eine voll ausgezogene Linie angedeutet. Sind in der Abszisse die Potentiometereinstellungen aufgetragen und in der Ordinate die jeweils abzunehmende Spannung, so entspricht unter normalen Bedingungen (Kurve 1) die elektrische Länge a der Elektrode e deren mechanischer Länge. Steigt der Feuchtigkeitsgehalt, so flacht sich die Kennlinie ab (Kurve 2), und die elektrische Länge b der Elektrode nimmt zu. Dies führt dazu, daß Meßfehler auftreten, die nicht vernachlässigbar sind. Bei einem 12,7 mm-Poteritiometer wurde z.B. ein Fehler von +3,6 /um (+141 Mikroinch) bei einer Änderung des Feuchtigkeitsgehalts von 65$ auf 90$ relativer Feuchtigkeit gemessen.

Das im folgenden näher beschriebene kapazitive Potentiometer ermöglicht die Herabsetzung des zuvor angegebenen Fehlers auf .einen vernächlassigbaren Wert. Eine Überprüfung hat dabei gezeigt, daß bei einem Potentiometer gemäß der Erfindung kein Fehler festzustellen war.

Das in Figuren 1 und 2 dargestellte kapazitive Potentiometer enthält ein Gehäuse 3 mit rohrförmigem Querschnitt. Auf der Innenseite des Gehäuses sind zwei rohrförmige, metallische Elemente 4, 5 vorgesehen, die an dem Gehäuse mittels Isolierringe 6 und 7 befestigt sind. Die beiden rohrförmigen Elemente-4, 5 sind elektrisch voneinander getrennt; an die beiden Elemente 4 und 5 wird über Leitungen 8 jeweils

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ein elektrisches Potential angelegt. Die Leitungen 8 laufen durch in den Isolierringen 6 und 7 enthaltene Nute 9 zu einer Spannungsquelle hin* Die Enden des rohrförmigen Gehäuses sind durch Stirnplatten 10 und 11 verschlossen. In den Stirnplatten 10 und 11 befinden sich Mittelbohrungen, die konzentrisch zu der Innenfläche der rohrförmigen Elemente 4,5 verlaufen. Von den Bohrungen der Stirnplatten 10 und 11 ist ein axial verschiebbarer Stab 12 mit einer Kappe 13 an dem einen Ende gleitbar aufgenommen. Das andere Ende des Stabes 12 ist mit einer Mittelausnehmung 14 versehen, die den Durchtritt einer Leitung 15 ermöglicht, welche elektrisch mit der Aufnahmeelektrode 16 verbunden ist. Diese Aufnahmeelektrode 16 ist mit Hilfe eines Isolierringes 17 an dem Mittelteil des Stabes 12 befestigt.

Die Leitungen 8 und 15 sind mit Hilfe von Anschlußelementen 18 und 19 an dem Gehäuse 3 und an dem Stab 12 derart befestigt, daß eine auf diese Leitungen ausgeübte Zugkraft sich nicht auf deren elektrische Anschlüsse an den Elementen 4, 5 oder an der Elektrode 16 überträgt, und zwar auch bei einer starken Beanspruchung.

Die Elektrode 16 ist ebenfalls rohrförmig ausgebildet} sie ist in den Elementen 4 und 5 derart angeordnet, daß sie zu diesen koaxial und konzentrisch verläuft. Der Bereich der Verschiebung der Elektrode, d.h. des Stabes 12, innerhalb des Gehäuses ist von gleicher Größe wie die Länge der Elektrode 16 oder die Länge eines der Elemente 4, 5- Die Elektrode 16 sowie die Elemente 4 und 5 besitzen jeweils die gleiche Länge.

Mit den an die Elemente 4 und 5 angelegten unterschiedlichen Potentialen, hängt das durch die Elektrode 16 kapazitiv aufgenommene Potential von deren relativer Lage in

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Bezug auf diese Elemente ab und liefert damit eine Meßgröße betreffend die Stellung des Stabes 12. . .

Las besondere und einmalige dieser neuen Gestaltung liegt darin, daß das gesamte elektrische Feld, und zwar das Mittelfeld sowie die Endfeider, zwischen der Elektrode und den Elementen lediglich ein homogenes Dielektrikum durchquert, das durch die bei der vorliegenden Ausführungsform vorhandene Umgebungsluft gebildet ist«,

Tritt in der Dielektrizitätskonstante auf <r3?und der Änderung des Feuchtigkeitsgehalts z.B. eine Änderung auf, so■■■■" ändert sich die Dielektrizitätskonstante in gleicher Weise" in sämtlichen Bereichen der Anordnung, in denen sin elektrisches Feld auftreten kann. Darüber hinaus ist eine derartige Änderung in der Luft sehr klein, so daß kein feststellbarer Einfluß auf den Wert des Aufnahmepotentials hervorgerufen wird, und swar unabhängig von der jeweiligen Stellung der Elektrode relativ zu den Elementen,

Dies ist dadurch erzielt worden, daß die Länge der die Ringe 6 und 7 umgebenden Elemente 4- und 5 und die Länge des die Elektrode 16 umgebenden. Elements 17 kleiner ist -;_:_ als die Länge der betreffenden Elemente bzw. der[Elektrode. Ferner ist der zwischen den beiden Elementen 4₉ 5 vorhandene Spalt oder Zwischenraum geringer als die jeweilige Dicke der Isolierringe 6, 7 sowie geringer als der jkbstand zwischen der Kante des einen Elements und der entsprechenden Kante des entsprechenden Ringes. Somit vermag sogar nicht einmal ein kleiner Anteil des zwischen der Elektrode und den Elementen vorhandenen elektrischen Feldes durch . ein anderes Dielektrikum als Luft zu verlaufen. Dadurch tritt im Falle der Änderung der Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Potentiometers¹ keine Verzerrung des Feldes auf. -'- --.-.:■-

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Damit bestehen die Maßnahmen, durch die eine Änderung der Eigenschaft des kapazitiven Potentiometers bei Änderungen der Umgebungsbedingungen vermieden wird , darin, daß zwischen den Kanten der Isolierringe 6, 7 und 17 und den entsprechenden Kanten der Elemente 4-, 5 und der Elektrode 16 hinreichend große Luftspalte vorgesehen werden. Auf diese Weise beeinflußt die Dielektrizitätskonstante der Isolierringe 6, 7 und 17, die sich in Abhängigkeit von der Absorption sogar mikroskopischer Mengen an !Feuchtigkeit in ihrem Material ändern können, überhaupt nicht mehr die Betriebseigenschaft des kapazitiven Potentiometers.

Fig. 3 zeigt schematisch eine aus einer Vielzahl von Segmenten bestehende Anordnung, bei der die Elektrode 20 in Form eines Rohres mittels eines Isolierrings 21 an der Innenseite eines Gehäuses 22 befestigt ist. Innerhalb dieser Elektrode 20 ist ein axial verschiebbarer Stab angeordnet, der eine Vielzahl von in einer "Linie liegenden Elementen 23 aufweist. .Diese Elemente sind konzentrisch und koaxial zu der Elektrode 20 angeordnet.

Auch hier besitzt der die Elektrode 20 an dem Gehäuse festhaltende Ring 21 eine geringere Länge als sie die Elektrode besitzt. Dadurch wird der¹ Durchtritt jeglicher elektrischer Feldlinien durch das den Ring 21 bildende Material vermieden, und zwar unabhängig von der jeweiligen Stellung der Elektrode 20 in Bezug auf die Reihe der Elemente 23. " . „. ..-, .

Bei dieser Modifikation sind die Elemente-.23 auf einem Isolierstab 24- angeordnet, der Einschnitte 25 für die Schaffung eines Luftspalts in der Nähe der benachbarten Enden der jeweils einander benachbarten Elemente^23 aufweist, Bei genügend weiten und tiefen Einschnitten ist ferner der

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Durchtritt jeglicher elektrischer Feldlinien durch das Isoliermaterial des Stabes 24 verhindert.

Um eine weitere Bedämpfung des elektrischen Feldes hervorzurufen, kann die Außenfläche der Einschnitte 25mit einem metallischen Überzug oder mit einem Metallring überzogen sein. Damit vergrößert der zwischen einem Element 23 und der metallischen Abdeckung des Einschnitts 25 vorhandene Luftspalt die Dämpfung des elektrischen Feldes. Dies hat zur Wirkung, daß dieses Feld das Isoliermaterial des Stabes 24 nicht erreicht, so daß die Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials sich ohne. Einfluß auf das elektrische Feld ändern kann.

Deshalb beeinflussen auch hier die aufgrund von Änderungen der Umgebungsbedingungen auftretenden Änderungen der Dielektrizitätskonstante nicht die Form,des elektrischen Feldes innerhalb des Potentiometers. Dadurch tritt auch keine Beeinflussung der Genauigkeit oder der Kennlinie des Potentiometers auf.

Fig. 4 zeigt eine weitere Variante der Potentiometeranordnung, enthaltend ein Gehäuse 27, in welchem zwei oder mehr Elemente (nicht gezeigt) in derselben Art und Weise wie- die Elemente 4 und 5 der in Verbindung mit Figuren 1 und 2 beschriebenen Ausfuhrungsform befestigt sind. .

Bei dieser Variante besteht die Elektrode 28 aus einem Metallstöpsel mit zwei Längsansätζen 29 und 30, die jeweils in einem Rohr 31 bzw. 32 befestigt sind. Zur Befestigung dienen Isolierringe 33 und 34. Auch hier sind die Abmessungen der Luftspalte 35 und 36 so gewählt, daß das zwischen der Elektrode 28 und den Elementen vorhandene elektrische Feld nicht durch die Isolierringe 33, 34 hin-

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durchtritt. Dadurch ist das Dielektrikum des Potentiometers lediglich durch Luft gebildet.

Pig. 5 zeigt eine andere Form der Reihenanordnung von Elementen, die in einer Potentiometeranordnung zu verwenden sind. Jedes der dabei vorgesehenen Elemente 37 besitzt an einem Ende einen Ansatz 38 und am gegenüberliegenden Ende einen Einschnitt 39· Die Elemente 37 sind derart ineinandergesteekt, daß sie in einer Reihe liegen; die betreffenden Elemente sind dabei in einer solchen Weise ineinandergesteckt, daß sie voneinander isoliert sind. Hierfür sind Isolierringe 4-0 vorgesehen.

Die Luftspalte 41 sind auch hier derart gebildet, daß ein Teil des elektrischen Feldes des Potentiometers die Isolierringe 40 durchquert. Aus Gründen der Wirksamkeit sollen die an den Enden der Elemente und der Elektrode vorgesehenen Luftspalte eine Tiefe besitzen, die etwa gleich dem Vierfachen ihrer Breite ist. In einigen Fällen kann dieses Verhältnis noch größer sein.

Es können selbstverständlich andere Versuche unternommen werden, um den Änderungen der Umgebungsbedirigungen entgegenzuwirken, z.B. durch einen dichten "Verschluß der Potentiometeranordnung oder durch Einfüllen eines Dielektrikums in die Potentiometeranordnung, das als Schutz vor derartigen Umgebungsänderungen dient. In dem zuletzt erwähnten Fall kann z.B. Ol in das Potentiometer eingefüllt werden. Diese Lösungen sind jedoch wesentlich teurer als diejenige Lösung, bei der sämtliche als Dielektrikum wirkende Materialteile aus den Bahnen der elektrischen Feldlinien hergenommen werden, so daß das Dielektrikum lediglich durch Luft gebildet ist.

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Wenn in dem Potentiometer verschiedene Dielektrika yer- ,-. wendet werden und eines dieser Dielektrika- sich auf .--~_:- ■";. Grund des Eeuchtigkeitseinflusses verschlechtert, können darüber hinaus Phasenverschiebungen auftreten, die zu Meßfehlern führen, wenn nicht ein spezieller Detektor oder eine spezielle Meßvorrichtung benutzt wird. Dieser." Nachteil wird durch die vorliegende Erfindung gänzlich vermieden.

Abschließend sei noch bemerkt, daß nicht nur geradlinige Potentiometer gemäß der Erfindung aufgebaut werden, können," sondern auch kreisförmige PotentiometerΓ Die in einer Reihe; angeordneten Elemente können dabei entlang einer geraden oder einer gekrümmten Linie angeordnet nein».

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Claims (1)

1. Pat entansprüche

   / 1.)Kapazitives Potentiometer mit wenigstens zwei in einer Reihe angeordneten, elektrisch, voneinander getrennten Elementen und mit einer Elektrode, die relativ zu den Elementen bewegbar ist, wobei durch Anschluß einer Potentialquelle an die Elemente zwischen diesen ein elektrisches Feld erzeugbar ist, durch das die Elektrode auf ein ihrer Stellung in Bezug auf die Elemente entsprechendes Potential bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Kanten der Elemente (4,5; 23;27;37) und der Elektrode (16;20;28) Luftspalte (25; 35,36;41) vorgesehen sind, die so ausgebildet sind, daß das im Potentiometerinneren wirksame elektrische EeId unter Vermeidung asymmetrischer Verzerrungen aufgrund von ilnderungen von Umgebungseinflüssen, insbesondere des Feuchtigkeitsgehalts, unabhängig von der geweiligen Stellung der Elektrode (16;20;28) in Bezug auf die Elemente (4-,5;23;27;39) als Dielektrikum lediglich Luft durchquert.

   2. Potentiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Befestigungsteile (3,12;22;31;32) und Isolierteile (6,7,17;21,33,3^) vorgesehen sind, daß die Elemente und/oder die Elektrode mittels der Isolierteile an den Befestigungsteilen befestigt sind und daß die Isolierteile zur Bildung der Luftspalte eine geringere Länge besitzen als die Elemente und/oder die Elektrode.

   5. Potentiometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspalte eine Länge besitzen, die zumindest dem Zweifachen ihrer Breite entspricht.

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   4. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3»: dadurch gekennzeichnet, daß derLuftspalt zwischen zwei benachbarten Enden zweier benachbarter Elemente eine Tiefe und eine Länge besitzt, die zumindest dem. Zweifachen des Abstands zwischen den benachbarten Kanten der betreffenden Elemente ist.

   5. Potentiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß eines der Befestigungsteile ein Stab (12;24) ist, daß das andere Befestigungsteil

   fe ein rohrförmiges Gehäuse (3;22) ist, und daß diese Teile konzentrisch und koaxial zueinander angeordnet sind.

   6. Potentiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolierstab (24) vorgesehen ist, auf dem die Elemente befestigt sind, und daß in der Nähe benachbarter Enden benachbarter Elemente Luftspalte bildende Ausnehmungen oder Einschnitte (25) vorgesehen sind«

   7. Potentiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode "durch einen Stöpsel (28) mit an

   seinen Vorderflächen vorgesehenen axialen Ansätzen (29,30) φ gebildet ist und daß diese Ansätze (29»30) mittels Isolierringe (33j34) von rohrförmigen Befestigungsteilen (31,32) getragen sind.

   8. Potentiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element (37) einen Kern mit einem axialen Ansatz (38) an einer Stirnfläche und einer Ausnehmung (39) in einer anderen Stirnfläche enthält, daß der Ansatz (39) eines Kerns (37) von der Ausnehmung des jeweils benachbarten Kernes (39) aufgenommen ist und daß zwischen dem

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   Ansatz (38) und der Ausnehmung (39) benachbarter Kerne (37) jeweils ein Isolierring (40) derart angeordnet ist, daß die Kerne (37) unter Schaffung der Luft spalte (4-1) elektrisch voneinander getrennt sind.

   9· Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe der Elemente (23) geradlinig verläuft.

   10. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (20) die Reihe der Elemente (23) umgibt.

   11. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9? dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe der Elemente (4-,5; 27) die Elektrode umgibt .