DE1914045C3 - Vorrichtung zur kapazitiven Abstandermittlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Abstandermittlung zwischen einem elektrisch leitenden Körper, welcher die eine Platte, und einer Meßelektrode, welche die andere Platte eines in den Eingangskrais eines Meßwertumformers eingeschalteten Kondensators darstellt, dessen Kapazität dem Abstand zwischen beiden Platten proportional ist, wobei das vom Meßwertumformer abgegebene Signal eine Funktion des Werts der Kondensator-Kapazität darstellt.

Vorrichtungen zur kapazitiven Abstandemittlung werden insbesondere dann kür Messungen z. B. als Fühler in Regelsystemen verwendet, wenn aufgrund ungünstiger Umgebungsbedingungen, z. B. zu hoher Temperatur, staubiger Atmosphäre, hoher Arbeitshäufigkeit und daraus resultierendem Verschleiß mechanische oder pneumatische Fühler nicht einsetzbar sind.

Es sind bereits Vorrichtungen zur kapazitiven Abstandermittlung bekannt »s. beispielsweise die DT-PS 16 658«, welche als Fühler eine flächige Meßelektrode in Form eines Rings, einer Niere oder eines Hufeisens verwenden und welche bevorzugt bei Brennschneidmaschinen zur Überwachung des Brenner-Werkstück-Abstands Anwendung finden, wobei die veränderbare Kapazität zwischen der am oder um den Brenner befestigten Elektrode und dem Werkstück ein Maß für den zu überwachenden Abstand darstellt. Wenn nämlich im Regelablauf ein bestimmter Kapazitätswert entsprechend einem bestimmten Brenner-Werkstück-Abstand als Sollwert angenommen wird, so führt jede Bewegung der Meßelektrode bzw. des Brenners zum Werkstück hin zu einer Kapazitätserhohung und jede Entfernung der Meßelektrode bzw. des Bren-

ners vom Werkstuck weg zu einer Kapazitätsverminderung. Diese schwankenden Kapazitätswerte können ohne weiteres durch entsprechende Umformung und Verstärkung als Stellsignale für ein Stellglied zur automatischen Höheneinstellung des Brtnners verwendet werden.

Bei diesen bekannten Vorrichtungen unter Verwendung flächiger Meßelektroden ist jedoch ein exaktes Messen in der Nähe von Werkstückkanten nicht möglich. Bewegt sich nämlich die Meßelektrode in ihrem Arbeitsfblauf auf abfallende (oder ansteigende) Werkstückkanten zu, so führt dies zu einer Kapazitätsveränderung zwischen Elektrode und Werkstück, ohne daß sich der Abstand des Brenners vom Werkstück tatsächlich verändert. Diese Kapazitätsveränderung führt aber im Regelsystem zu einer Verstimmung, welche durch Nachregeln des Brenner-Werkstück-Abstands ausgeglichen wird, womit sich an Werkstückkanten zwangsläufig ein falscher Wert für diesen Abstand einstellen muß. Abgesehen von der möglichen Zerstörung des Brenners bei mechanischer Berührung mit dem Werkstück infolge zu starker Nachregelung in Richtung auf das Werkstück hin ist es insbesondere beim Plasma-Schmelzschweißen besonders wichtig, den Brenner-Werkstück-Abstand in engen Toleranzen konstant zu halten, da eine Veränderung dieses Abstands zu einer Verminderung der Schnittqualität und zu schlechter Maßhaltigkeit der auszuschneidenden Teile infolge unterschiedlicher Breite des Schnittverlaufs führt.

Weiter ist die Verwendung bekannter Vorrichtungen zur kapazitiven Abstandermittlung bei Werkstücken von allgemein geringer Breite oder schmalen Werkstücken mit stark ansteigenden Kanten (z. B. U-Profil) aufgrund unabhängig vom tatsächlichen Abstand in weitem Bereich differierender Kapazitätswerte nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere also eine Vorrichtung zur exakten kapazitiven Abstandermittlung an Körpern mit unregelmäßiger Fläche sowie in der Nähe von Kanten, Einschnitten u. dgl. zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Meßelektrode in mehrere, gegeneinander isolierte Segmente aufgeteilt ist und daß der Meßwertumformer eine Auswahlschaltung zum Weitergeben des größten (kleinsten) der durch selektive Einschaltung der verschiedenen Meßelektroden-Segmente in den Umformer-Eingangskreis gewonnenen Meßwerte an dem Vorrichtungs-Ausgang aufweist. Dabei muß beim Messen an abfallenden Materialkanten das dem geringsten - und beim Messen an ansteigenden Materialkanten das am weitesten Abstand entsprechende Signal an den Ausgang der Vorrichtung weitergeleitet werden, um Kapazitätsverminderungen bzw. -erhöhungen an den abfallenden bzw. ansteigenden Werkstückabschnitten zu eliminieren.

Bei der Abstandmessung an flächigen, beispielsweise plattenförmigen Körpern ist es für Messungen in Kantennähe vorteilhaft, wenn die Segmente in einer Ebene angeordnet sind

Bei Verwendung der Vorrichtung in Verbindung mit einer Arbeitseinrichtung, wie einer Brennschneidmaschine, läßt sich der Brenner-Werkstück-Abstand besonders genau ermitteln, wenn die Segmente punktsymmetrisch angeordnet sind, wobei vorteilhafterweise der Brenner im Zentrum angeordnet wird.

Die Abstandmessung beliebig geformter Körper läßt sich besonders zweckmäßig durchführen, wenn die Segmente in verschiedenen Ebenen angeordnet sind.

Dabei ist besonders vorteilhaft, daß bei Verwendung der Vorrichtung zur Überwachung des Mindestabstands der Meßelektrode von einem Körper die Überwachung in bezug auf mehrere Flächen von runden Körpern oder von winkeligen Körpern gleichzeitig durchgeführt werden kann.

Die Erfindung ist im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen

ίο näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung, bei welcher die Auswahl-Schaltung konstant einen Vergleich aller Signale in einem geschlossenen Regelkreis durchführt und

F i g. 2 eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung, bei welcher die Auswahl-Schaltung die Eingangssignale in kurzen Zeitabständen nacheinander abfragt

Bei beiden Ausführungsformen besteht die Meßelektrode aus vier Segmenten 1, 2, 3, 4, die voneinander isoliert über einem Werkstück 5 angeordnet werden können. Der zu messende Abstand der Elektrode vom Werkstück ist der Kapazität zwischen jeweils den über dem Werkstück befindlichen Segmenten und dem Werkstück proportional.

Bei der Darstellung gemäß F i g. 1 befindet sich nur das Segment 1 über dem Werkstück 5, so daß nur dieses Segment einen dem tatsächlichen Abstand entsprechenden Kapazitätswert besitzt, während die Segmente 2, 3 und 4, da sie über das Werkstück 5 hinausragen, jeweils eine wesentlich geringere Kapazität gegenüber dem Werkstück 5 besitzen, die eigentlichen einem falschen, viel größeren Abstand entspricht. Eine Verwendung der Segmente 2, 3 und 4 ist demgemäß zur Ab-Standmessung in der Elektrodenposition gemäß F i g. 1 nicht möglich. Grundsätzlich muß beim vorliegenden Anwendungsbeispiel also dasjenige Segment zur Erzeugung eines den Elektroden-Werkstück-Abstand darstellenden Signals verwendet werden, welches dem geringsten Abstand entspricht, um die Kapazitätsverminderung in Kantennähe aus der Messung zu eliminieren.

Beim in Verbindung mit F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel findet die Vorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung Anwendung in einem geschlossenen Regelkreis, wobei der Elektroden-Werkstück-Abstand auf einem einstellbaren Wert konstant gehalten werden soll.

Diese Anordnung läßt sich beispielsweise zur Einstellung eines konstanten Abstands des Brenners einer Schneidmaschine, welcher in der Mine der Elektrode anzuordnen wäre, bei seiner Bewegung über ein plattenförmiges Werkstück hinweg verwenden.
Die Vorrichtung arbeitet dabei wie folgt:

Jedes Elektrodensegment 1, 2, 3, 4 bestimmt die Schwingfrequenz eines ihm zugeordneten Oszillators 6, 7, 8 bzw. 9, dessen Verstimmung somit unmittelbar der Kapazität und mittelbar dem Abstand zwischen dem Werkstück 5 und dem zugehörigen Elektroden-Seg-

(So ment proportional ist. Jedem Oszillator 6,7,8,9 ist ausgangsseitig ein Diskriminator 10, II, 12 bzw. 13 zugeordnet, welcher die abstandabhängige Frequenzänderung in eine proportionale Spannungsänderung umformt.

Die Ausgänge 14, 15 der Diskriminatoren 10 bzw. 11 sind an die Eingänge eines Komparators 18 und die Ausgänge 16, 17 der Diskriminatoren 12 bzw. 13 sind an die Eingänge eines zweiten Komparators 19 gelegt.

Die Ausgänge 20, 21 der Komparatoren 18 bzw. 19, welche entsprechend der Polarität der Eingänge ein positives oder negatives Signal abgeben, sind über polaritätsabhängige Schaltglieder 22, 23 bzw. 24, 25 derart in die Diskriminator-Ausgangsleitungen eingeschaltet, daß jeweils das Ausgangssignal desjenigen Diskriminators, welcher einem den Werkstück 5 näher befindlichen Segment 1 oder 2 bzw. 3 oder 4 zugeordnet ist, an einen weiteren Komparator 26 durchgeschaltet wird, welcher die von den Komparatoren 18 und 19 durchgeschalteten Ausgangssignaie eines der Diskriminatoren 10 oder 11 mit den Ausgangssignalen eines der Diskriminatoren !6 oder 17 in gleicher Weise miteinander vergleicht und durch an seinen Ausgang angeschlossene Schaltglieder 27 bzw. 28 dem Eingang eines Servo-Verstärkers 29 zuführt, welcher mit einem Stellmotor 30 den gewünschten Elektroden-Werkstück-Abstand einstellt.

Der Scrvoverstärker 29 wird, wie aus der vorangegangenen Beschreibung ersichtlich ist, immer durch Signale angesteuert, welche durch das Segment mit dem geringsten Elektroden-Werkstück-Abstand bzw. der größten Elektroden-Werkstück-Kapazität erzeugt werden.

Eine exakte Abstandmessung ist also so lange gewährleistet, wie sich das Zentrum der punktsymmetrisch angeordneten Elektroden-Segmente über dem Werkstück befindet. Wäre dagegen im vorliegenden Fall die Elektrode nicht in Segmente aufgeteilt, sondern einstückig ausgebildet, so wäre die Elektroden-Werkstück-Kapazität auf etwa ein Viertel der Kapazität abgesunken, welche bei gleichem Abstand zwischen Werkstück und Elektrode bestehen Würde, sofern sich die Elektrode ganz über dem Werkstück befindet. Durch dieses Absinken der Kapazität bei gleichbleibendem Abstand würde ein fehlerhaftes, nicht mehr abstandproportionales Signal erzeugt, welches ein falsches Stellsignal für den nachgeschalteten Servo-Verstärker bewirken würde.

Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach F ι g. 1 durch die Art der Umsetzung der von den Oszillatoren 6'-9' gelieferten Meßsignale in auf den Stellmotor 30 einwirkende Stellsignale. Die Oszillatoren 6'-9' unterscheiden sich von den Oszillatoren 6-9 dadurch, daß sie nicht durchgehend schwingen, sondern durch an Steueranschlüsse gelegte Signale kurzzeitig aktivierbar sind. Die Ausgänge der Oszillatoren 6'-9' sind zusammengeschaltet und an den Eingang eines einzigen Diskriminators 110 angeschlossen, der Frequenzänderungen in proportionale Spannungsänderungen umzusetzen imstande ist. Der Ausgang 111 des Diskriminators 110 ist über einen Umschalter 112 entweder mit einem Maximumspeicher 113, wie einem bei Philbrick, Applications Manual for Computing Amplifiers beschriebenen Track.-Hold-Peak-Memory-Speicher oder mit einem Komparator 119 und einem Schaltglied 123 verbindbar.

Der Löscheingang 116 des Maximumspeichers 113 ist an einen durch einen Taktgeber 115 zyklisch weitergeschalteten Ringzähler 114 angeschlossen. Im Arbeitsablauf stellt der Schritt 1 des Ringzählers den Maximumspeicher 113 über den Löscheingang 116 auf »0« und kippt dann ein Flip-Flop 117 in die dargestellte Anfangsstellung. Mit den Ringzählerschritten 2-5 werden die Oszillatoren nacheinander kurzzeitig aktiviert. Bei der dargestellten Anordnung, bei welcher sich das Elektroden-Segment 4 über dem Werkstück 5 befindet, s gibt der Oszillator 9' ein Signal ab, welches der maximalen Elektroden-Werkstück-Kapazität entspricht und welches demzufolge im Maximumspeicher 113 ein durch den Diskriminator 110 umgeformtes maximales Signal speichert.

ίο Durch den Schritt 6 des Ringszählers 114 wird im Anschluß daran das Flip-Flop 117 umgekippt, wodurch der Umschalter 112 auf die Zuführungsleitung zum Komparator 119 und zum noch offenen Schaltglied 123 umgelegt wird. Die folgenden Schritte des Ringzählers

is 114 bewirken ein erneutes kurzzeitiges Aktivieren der Oszillatoren 6'-9' bis am Eingang 118 des Komparators 119 das Oszillatorsignal anliegt, welches während der vorhergehenden Schaltschritte 2-5 als Höchstwert im Maximumspeicher 113 gespeichert und dann an den anderen Komparatoreingang 120 gelegt wurde. Sobald an beiden Eingängen des Komparators 119 Signale gleicher Amplitude anliegen, wird am Komparatorausgang 121 ein Signal atjegeben, welches einen monostabilen Multivibrator 122 in die Arbeitslage kippt, wodurch der Taktgeber 115 blockiert und das Schaltglied 123 geschlossen wird. Der Multivibrator 122 verbleibt für eine charakteristische Zeit »i« in seiner Arbeitslage, während der das Elektroden-Segment 4. welches die maximale Kapazität gegenüber dem Werkstück 5 aufweist, den aktivierten Oszillator 9' entsprechend verstimmt und dadurch ein vom Diskriminator 110 abgegebenes Signal bewirkt, welches während dieser Zeit »f« an den Eingang des Servoverstärkers 29 gelegt wird und somit die Abgabe eines den echten Elektroden-Werkstück-Abstand entsprechenden Stellsignals an den Stellmotor 30 bewirkt.

Nach Ablauf der Zeit »r« fällt der monostabile Multivibrator 122 in seine Ruhelage zurück, wodurch der Taktgeber 115 wieder freigegeben wird, was ein Weiterschalten des Ringzählers von der Stellung 10 in die Stellung 1 bewirkt und womit ein neuer Arbeitszyklus eingeleitet wird.

Beim vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde eine Abstandsermittlung an einem Werkstück mit abfallenden Kanten durchgeführt Gleichermaßen ist es selbstverständlich möglich Abstandsermittlung an ansteigenden Kanten durchzuführen. Beim anhand von F i g. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel müßten dafür lediglich die Komparatoren 18,19 und 26, bzw. die Stellglie-

der 22, 23, 24, 25, 27 und 28 so geschaltet wurden, daß sie jeweils das geringste Signal an den Vorrichtungsausgang weitergeben. Beim anhand von F i g. 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel müßte lediglich der Maximumspeicher 113 in einen Minimum-Speicher um-

SS geschaltet werden.

Die Ausführungsbeispiele zeigen nur zwei von vielen im Bereich des Erfindungsgedankens liegende Realisierungen. Eine Vielzahl von weiteren Möglichkeiten, wie das Einschalten der Segmente im Bandfilter oder die Anordnung der Segmente ir, Kapazitätsmeßbrücken zur Umwandlung der Kapazitätsänderung in verwertbare Signale sind dem Fachmann bei Berücksichtigung der Lehre der Erfindung geläufig.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

1. Patentansprüche:

   Ι. Vorrichtung zur kapazitiven Abstandermittlung zwischen einem elektrisch leitenden Körper, weleher die eine Platte, und einer Meßelektrode, welche die andere Platte eines in den Eingangskreis eines Meßwertumformers eingeschalteten Kondensator darstellt, dessen Kapazität dem Abstand zwischen beiden Platten proportional ist, wobei das ι ο vom Meßwertumformer abgegebene Signal eine Funktion des Werts der Kondensator-Kapazität darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode in mehrere, gegeneinander isolierte Segmente aufgeteilt ist und daß der Meßwertumformer eine Auswahlschaltung zum Weitergeben des größten (kleinsten) der durch selektive Einschaltung der verschiedenen Meßdektroden-Segmente in den Umformer-Eingangskreis gewonnenen Meßwerte an den Vorrichtungs-Ausgang aufweist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente in einer Ebene angeordnet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente punktsymmetrisch angeordnet sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente in verschiedenen Ebenen angeordnet sind.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektroden-Segmentkörper-Kapazität als frequenzbeeinflussendes Glied in einem Schwingkreis oder einem Oszillator eingeschaltet isi. und daß der Meßwertumformer eine Einrichtung zur Umwandlung der vom Elektroden-Werkstück-Abstand abhängigen Verstimmung der Oszillatorfrequenz in ein Spannungs- oder Stromsignal aufweist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schalteinrichtung zum zyklischen Einschalten der einzelnen Segmente als frequenzbe einflussende Glieder in einen Schwingkreis vorgesehen ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment als frequenzbeeinflussendes Segment eines Schwingkreises angeordnet ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Schwingkreis ein charakteristischer Oszillator zugeordnet ist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Ausgangssignale an jeden Oszillator ein bestimmter Diskriminator zur Umwandlung der Oszillator-Verstimmung in eine proportionale Spannungsänclerung angeschlossen ist.
10. 10 Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Ausgangssignale ein gemeinsamer Diskriminator an alle Oszillatorausgänge angeschlossen ist.
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden-Segmentkörper-Kapazitäten zur Erzeugung von dem Abstand direkt proportionalen Spannungs- oder Stromsignal in Spannungsteiler- oder Brückenschaltungen einbezogen sind.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 mit einer Anzahl von Clapp-Oszillatoren, dadurch gekennzeichnet, daß eine Taktschaltung zur Aktivierung der einzelnen ausgangsseitig zusammen an einen Diskriminator geschalteten Oszillatoren in zwei Arbeitszyklen und ein Maximum-Speicher vorgesehen ist, daß ein durch die Taktschaltung aktivierter Umschalter zur Verbindung des Diskriminators während des ersten Arbeitszyklus mit dem Maximum-Speicher und während des zweiten Arbeitszyklus mit dem einen Eingang eines Komparators vorgesehen ist, daß der Ausgang des Maximum-Speichers mit dem zweiten Eingang des Komparators verbunden ist, daß ein Schalter zur Durchschaltung des Diskriminator-Signals in Abhängigkeit von gleichen Komparator-Eingangssignalen an den Komparator-Ausgang angeschlossen ist und daß ein durch die Taktschaltung nach Beendigung des zweiten Zyklus angesteuerter elektronischer Schalter zur Löschung des Maximum-Speichers vorgesehen ist.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an die Diskriminator-Ausgänge eine kontinuierlich arbeitende Komparatorschaltung zur Ermittlung des dem kleinsten (größten) Abstand entsprechenden Signals und dessen Weiterleitung an den Ausgang vorgesehen ist.
14. 14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Verwendung in einem Regelkreis zur Einstellung des Höhenabstands einer automatischen Brennschneidmaschine vom Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß das dem kleinsten (größten) Abstand entsprechende Signal als Rückführgröße an den Reglereingang gelegt wird.