DE2137545B2 - KapazitStsmeßsonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kapazilätsmeßsonde zur Bestimmung der Kapazität zwischen der Sonde und einem elektrisch leitenden Teil und zur Bestimmung des

Abstands zwischen der Sonde und dem elektrisch leitenden Teil unter Verwendung einer kapazitiven Meßeinrichtung mit einer Vergleichskapazität und mit einer Wechüelspannungsquelle zum Erregen der Meßeinrichtung.

Aus der DE-PS 9 65 446 ist eine Einrichtung zur kapazitiven Messung des Spieles bei Gas- oder Dampfturbinen unter Verwendung einer Vergleichskapazität bekannt. Gemäß diesem bekannten Vorschlag wird zur kapazitiven Spielmessung von Gas- oder Dampfturbinen neben der an der Spielstelle befindlichen Meßkapazität eine Vergleichskapazität verwendet, die mit im Turbinenraum angebracht wird, so daß sie denselben Bedingungen und Einflüssen ausgesetzt ist wie die Meßkapazität. Dabei ergibt sich als Vorteil, daß die Spielmessung unabhängig wird von Veränderungen der Dielektrizitätskonstanten und des Verlustwinkels im elektrischen Feld der Meßkapazität. Dieser bekannte Vorschlag beruht auf der Erkenntnis, daß die Dieelcktrizitätskonstante und Verlustwinkel nicht als konstant angenommen werden können, sondern durch unkontrollierbare Einflüsse, z. B. Verunreinigungen oder nicht ständig gleichbleibende Zusammensetzung des Betriebsmittels der Turbinen, sich ändern können, und daß für genaue Messungen die Ausschaltung dieser Fehlerquellen erforderlich ist.

Aus der DE-OS 14 48 744 ist ein Verfahren und Vorrichtung zur Messung von linearen Verschiebungen oder Winkelverdrehungen bekannt, welches gekennzeichnet ist durch die Verwendung zweier geometrisch gleichartiger Kondensatoren, deren Kapazitäten sich in Abhängigkeit von der zu messenden Verschiebung linear und im entgegengesetzten Sinne verändern.

Bei dieser bekannten Meßvorrichtung kann auch eine Diodenmatrix zur Anwendung gelangen.

Bei all den bekannten Konstruktionen wird jedoch nicht mit Sicherheit gewährleistet, daß sie gegenüber Umwelteinflüssen unempfindlich sind, da beispielsweise bereits kleinste Ablagerungen von Fremdmaterial auf den jeweiligen Kapazitäten sich störend auswirken und das Meßerg^bnis verfälschen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Konstruktion für eine Kapazitätsmeßsonde der eingangs definierten Art anzugeben, durch die die Kapazitätsmeßsonde gegenüber Umwelteinflüssen mit großer Sicherheit geschützt ist und die gleichzeitig eine außerordentlich ho.ie Meßempfindlichkeit und Meßgenauigkeit bietet.

Ausgehend von der Kapazitätsmeßsondc der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer elektrisch leitenden Hülse eine scheibenförmige Meßelektrode an der Stirnseite der Hülse und in axialem Abstand zu dieser eine gleichartig gestaltete Vergleichselektrodc angeordnet sind, daß sowohl die Meßeleklrode als auch die Vergleichselektrode ein scheibenförmiges, mittleres, elektrisch leitendes Teil aufweisen, welches umfangsmäliig von einem Dielektrikum umgeben ist und mit der Meßeinrichtung elektrisch verbunden ist.

Es hat sich herausgestellt, daß eine gemäß der ι erfindungsgemäßen Konstruktion aufgebaute Kapa/.itätsmeßsonde sehr robust ist und dann eine außerordentlich hohe; Meßgenauigkeit bietet, wenn bestimmte Abmessungen der Hülse, der scheibenförmigen Meßelcktrode und der scheibenförmigen Vergleichselektro- ι de innerhalb bestimmter Toleranzgrenzen gehalten werden.
Besonders vorteilhaft Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 18,

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise schematische vertikale Schnittdarstellung einer grundlegenden Ausführungsform einer Sonde und einer Erregerschaltung,

Fig.2 eine teilweise schematische vertikale Schnittdarstellung einer Sonde und einer Schaltungsanordnung,

F i g. 3A Schnittdarstellungen zweier Ausführungsformen der Sonde, und 3B die für die Konstruktion gemäß F i g. 2 geeignet sind,

Fig.4 eine Schnittdarstellung einer Sonde mit einer abgewandelten Sondenspitze,

Fig.5 eine teilweise schematische Schnittdarstellung einer abgewandelten Sende, mit einem vollständigen Gehäuse und einem fertig herstellbaren Einschub,

Fig.6 eine Schnittdarstellung einer weiteren abgewandelten Ausführungsform einer Sonde, wobei eine Meiaüniederschiagsiechnik angewandt ^;st,

Fi g. 7 eine teilweise schematische Schnittdarstellung einer kapazitiven Sonde mit Schutzeinrichtungen,

Fig.8 eine Schnittdarstellung einer Teilsonde mit Schutzeinrichtungen, die mit Hilfe von Metall-Niederschlagstechniken erzeugt wurden,

F i g. 9 eine abgewandelte Anordnung von Sondenspitzen der Konstruktion nach F i g. 8,

Fig. IO ein Teilblockschaltbild und eine teilweise schematische Schaltung oder Stromlauf einer Impedanz messenden Schaltung, die mit der Kapazität einer kapazitiven Sonde zusammenwirkt,

Fig. Il ein Blockschaltbild der Schaltung, die zum Verarbeiten der Ausgangsgröße einer kapazitiven Sonde für eine direkte Entfernungsanzeige verwendet wird,

Fig. 12 eine Schnittdarstellung einer aus mehreren Elektroden bestehenden kapazitiven Sonde, (lie zum Abtasten der Breite eines dielektrischen Streifens verwendet werden kann,

^rig. 13 eine Schnittdarstellung nach der Linie 14-14 der Fig. 12.

Fig. 14 eine schematische Schni'.tdarsiellung einer kapazitiven Sonde mit vielen Elektroden, die zum Abtasten der Entfernung, der Breite unü der Dicke eines dielektrischen Streifens verwendet werden kann,

Fig. 15 ein Blockschaltbild und schematischer .Stromlauf einer verarbeitenden Schaltungsanordnung für die kapazitiven Sonden gemäß Fig. 12, 13 und 14, wobei eine Vielzahl von Anschlüssen gezeigt sind, die miteinander auf vielfältige Weise verbunden werden können,

F i g 16a, b und c andere Verbindungssysteme für die Anschlüsse der Fig. 15 und

Fig. 17 ein Plockschaltbild und sthematischen Stromlaufplan einer abgewandelten verarbeitender Schaltung für die kapazitive Sonde gemäß Fig. 12 und IJ.

F i g. 1 zeigt teilweise schematisch eine Schnittdarstellung einer kapazitiven Sonde mit zylindrischen, elektrisch leitenden Sondenspitzen 14 und 16, (lic durch ein zylindrisches dielektrisches Absia.idsteil 22 im Abstand zueinander gehalten sind. Die Spitze 14 weist einen größeren Radius als die Spitze 16 auf, und das Abstandsteil 22 weis; den kleinsten Radius von den drei Teilen auf. Anfänglich ist die Sondenspitze 14 in axialer Richtung wesentlich langer als dies in Fig. 1 veran-

schaulicht ist. die die endgültige Form der Spitze zeigt. Die anfängliche Anordnung oder Kombination der zwei Spitzen werden dann elektrisch an gegenüberliegende Verbindun.gspunkte eines in Reihe geschalteten Diodenringes 30 vermittels elektrischer Leitungen 28 und 32 angeschlossen, die jeweils mit den Spitzen bzw. Meßelektrode und Vergleichselektrode 16 Kontakt hüben. Diese gesamte Anordnung wird dann in eine elektrisch leitende Hülse 12 und eine innere dielektrische Hülse 20 eingeschoben, wo sie dann mit Hilfe irgendeiner herkömmlichen Finfaßmasse oder Aiisfüllmischung in Lage gehalten wird. Ein offenes finde 24 der ! lulse 12 weist eine Zone mit vergrößertem Durchmesser 26 auf. um sich der Meßelektrodo 14 mit jrmlWcm Radius anzupassen. Das offene finde 24 und die Mcßelcktrode 14 werden dann bearbeitet, bis Gleichheit in den Kapazitätswerten zwischen der Hülst.· 12 und leweils den zwei Elektroden 14 und 16 besteht. Zwei elektrische Leiter 38 sind an die verbleibenden zwei Verbindungspunkte des Ringes 30 angeschlossen, sind durch die Hülse 12. abseits vom offenen F.nde 24. geführt und sind schließlich an eine weitere Schaltungsanordnung angeschlossen.

Die Vorzüge der neuen kapazitiven Sonde können besser aus einer Beschreibung der besonderen Merkmale verstanden werden, wie sie teilweise in der vertikalen .Schnittdarstellung und teilweise in der schematischen Schaltungsanordnung gemäß F i g. 2 veranschaulicht sind Wie dort gezeigt ist. so endet ein zylindrisches elektrisch leitendes Gehäuse oder Zylinder 40 in einem offenen Fnde 42. Eine Meßelektrode 44 und eine Vergleichselcktrode 44a sind allgemein planar geformt und sind in eine innere Wand 46 des Zylinders 40 eingepaßt, senkrecht zu einer Achse des Zylinders 40. D;e Form der inneren Wand 46. in einer Fbenc senkrecht zur Achse des Zylinders 40. kann auf irgendeine Weise ausgebildet sein, ist jedoch normalerweise quadratisch, rechteckig oder kreisförmig, wie dies eile F : g. 3Λ und 3B zeigen. Die äußeren Umfangskantcn der Flektroden 44 weisen eine zugeordnete bzw. entsprechende Größe und Gestalt auf. um einen festen und guten .Sitz in der inneren Wand 46 zu gewährleisten.

Die Meßelektrodo in rjer inneren Wand 46 ist am offenen Ende 42 gelegen und sie verschließt das Fnde des Zylinders 40 und zwar gegen eine innere Zone 48. Die Meßelektrode besteht aus einer ersten elektrisch leitenden scheibenförmigen Elektrode 50. die derart ,{"geordnet ist. daß die Flächen der scheibenförmigen Elektrode senkrecht zu einer zentralen Achse 52 des Zylinders 40 verlaufen, wobei die Umfangsfläche 54 der Elektrode 50 parallel zur Achse 52 verläuft und darüber hinaus einen im wesentlichen gleichen Abstand von der inneren Wand 46 des Zylinders 40 an allen Stellen aufweist. Die Meßelektrode besteht weiter aus einem dielektrischen Ring 56, der den Umfang 54 der Elektrode 50 umgibt und als dielektrischer Spalt zwischen der Elektrode 50 und einem elektrisch leitenden Ring 58 dient, der seinerseits den Außenumfang des dielektrischen Ringes 56 umgibt und sich radial so weit erstreckt, daß er elektrischen Kontakt mit dem Zylinder 40 hat.

Während der Herstellung der Meßelektrode wird eine sehr kleine Menge einer biegsamen Substanz, wie beispielsweise Lötmetali als Füllmasse 60 zwischen die Kontaktpunkte der Elektrode 50, dem Ring 56. dem Ring 58 und derr. Zylinder 40 angeordnet, !rs typischer Weise kann das Füllmaterial 60 nur zwischen dem Ring 58 und dem Zylinder 40 angeordnet werden, um den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten Rechnung zu tragen und um einen guten elektrischen Kontakt längs der ("lachen zwischen diesen Elementen während dem Entstehen von Spannungen zu gewährleisten, die durch Umgebungseinflüsse hervorgerufen werden können. Sollen die Elektrode 50, der Ring 56 und der Ring 58 nicht durch ein Füllmaterial 60 ancinandergebunden werden, so kann auch zum Binden derselben Fusionstechnik herangezogen werden.

Die Vergleichselektrode ist im wesentlichen identisch fv't der Meßelektrode und sie ist zwischen der inneren Wand 46 des Zylinders 40. innerhalb der Zone 48 und abgesetzt \om offenen Linie 42 in Lage gebracht und s!i>!3( gegen eine Abs!:indshü!se 62. üin dielektrische; Ring 66 ist /wischen einem Ring 64 und einer Elektrode 68 der /weiten Anordnung in gleicher Weise wie bei der ersten Anordnung in Lage gebracht. Auch hier kann I ul!material 60 an die Kontaktstellen zwischen dem /vlindi'r 40 Kino fi4 Hinu Wi nrwj Fjek'.rode 68 hinzugegeben werden, oder nur /wischen dem Zylinder 40 und dem R'iig64.

Eine öffnung 70 geht durch die Elektrode 68 parallel zur Achse 52 hindurch, so daß ein elektrischer Leiter 72. de" elektrischen Kontakt mit der Elektrode 50 hat. dort hindurchgeführt werden kann und /war zu einer Diodenmatrix 74. die auf der gegenüberliegenden Seite der zwoiicn Sondenspitzenanordnurig gelegen ist. Ein elektrischer Leiter 76 verbindet die Elektrode 68 mit der Diodenmatrix 74. Die Diodenmatrix 74 besteht aus in Reihe geschalteten Dioden 78. die in l.citungsrichtung geschaltet sind, um einen geschlossenen Strompfad zwischen den elektrischen Leitern 72 und 76 zu schaffen, die an gegenüberliegende Verbindungspunktc zwischen den Dioden 78 angeschlossen sind. Von den anderen zwei Verbindungspunklen gehet; von dem Strompfad elektrische Leiter 82 und 84 ab und führen zu einer Gleichspannungsabtrennimpedanz oder zu kapazitiven Zw eigen 86 und 88. Bei der Osziilatorfrequenz bei 90 ist die Impedanz der Kapazitäten 86 und 88 typisch, jedoch nicht notwendigerweise, um eine Größenordnung kleiner als die kapazitive Impedanz zwischen dem Zylinder 40 und den Elektroden 68 und 50. Die gegenüberliegenden Anschlüsse der Kapazitäten 86 und 88 werden gemeinsam von einem Oszillator 90 gespeist, dessen anderer Anschluß elektrisch mit dem Zylinder 40 verbunden ist. der beispielsweise auf Masse liegen kann. Der Oszillator 90 sieht eine Wechselstromerregung vor. die auf Masse oder Erde bezogen ist.

Zwei Anzeigeschaltungcn 92 bestehen je aus einer Induktivität 94 und einem Anzeigegerät 96, die in Reihe geschaltet sind, um Gleichspannungssignale nach M- .se oder Erde zu leiten und zwar jeweils von den Leitern 82 und 84.

Eine feuchtigkeitsundurchlässige Abdeckung 98 ist abwechselnd über das offene Ende 42 des Zylinders 40 und die äußere Fläche der Meßelektrode angeordnet und ist gegen den Zylinder 40 an seinem Ende 42 und bestmöglich zur Anordnung 44. die die Elektroden 50 enthält, abgedichtet.

Die kapazitive Sonde, die zuvor beschrieben wurde, kann sehr vorteilhaft zum Messen von Abständen zwischen der äußeren Fläche der Elektrode 50 und einer geerdeten leitenden Fläche 100 verwendet werden, indem man durch die Anzeigeeinrichtung 92 die Differenz zwischen der Kapazität der Elektrode 50 nach Masse relativ zur Kapazität der Elektrode 68 erfaßt. Zu diesem Zweck wird die Fläche 100 normalerweise parallel zur äußeren Fläche der Elektrode 50 angeord-

net. und die gesamte Sonde wird in einer nicht gezeigten Konstruktion befestigt, die dann die Lage der Elektrode 50 aufrecht erhalt und eine Bezugsgröße zum Messen des Abstandes zwischen der Elektrode 50 und der fläche 100 vorsieht.

Die in F i g. 2 schematisch gezeigte Schaltung arbeitet in der Weise, daß die Erregergröße, die vom Oszillator 90 in di" zwei kapazitiven Zweige 86 und 88 eingespeist wird, ge'eilt wird. Die Diodenmatrix 74, die aus vier Diodenzweigen besteht, steuert weiter die Erregergröße, die durch jeden kapazitiven Zweig 8fi und 88 fließt. so daß während einer Halbwolle einer gegebenen Polarität der Errcgergröße. diese Polarität von jedem Zweig 86 und 88 /u den getrennten Elektroden 50 und 68 geleitet wird, und dann über den Zylinder 40 und die !•"lache 100 nach Masse geleitet wird. Während der folgenden Halbwelle entgegengesetzter Polarität führt die Diodenmatrix 74 einen Schaltvorgang in den f rrcgcr/wcigcn durch, so daß die Erregung über die Zweige 86 und 88 jeweils zur anderen Elektrode der Elektroden 50 und 68. im Gegensalz zur vorangegangenen Halbwolle, geleitet wird. Über wiederholte Halbwellen aus dem Oszillator 90 weisen die Leiter 82 und 84 einen geringen Glcichspannungsabstand oder eine mittlere Spannung auf und/oder Stromsignal zusätzlich /u einer großen Wechselstromkomponentc auf. Das Ausmaß oder die Große dieses Abweichungssignals zeigt die kapazitive Differenz zwischen Masse und den Elektroden 50 und 68 an. Die Wechselstromkomponen-Ie wird durch die Induktivitäten 94 ausgefiltert und nur ein Gleichspannungssignal kann zu den Anzeigegeräten 96 gelangen, um eine Anzeige über die kapazitive Unausgeglichenheit zwischen Masse und den zwei Elektroden 50 und 68 zu liefern.

Da die Anzeigegeräte 92 relativ zu einer Null-Bezugsgröße messen und nur die Abweichungskomponcntc hindurchgelangen kann, kann die Erregung des Oszillators 90 sehr groß gemacht werden, um die Empfindlichkeit der Sonde zu erhöhen, ohne dabei kostspielige und genaue Bezugsschaltungen verwenden zu müssen.

Wie bereits erwähnt wurde, so ist die kapazitive Reaktanz der Zweige oder Kapazitäten 86 und 88 gewöhnlich um wenigstens eine Größenordnung kleiner als die kapazitive Reaktanz zwischen dem Zylinder 40 und den Elektroden 50 und 68. In diesem Fall ist zu jedc;:i Zeitpunkt die Spannung an den Kapazitäten 86 und 88 sein¹ klein und die Spannung auf den Leitern 72 und 76. die zu den Elektroden 50 und 68 geführt wird, ist im wesentlichen gleich der Spannung aus dem Oszillator 90. Der mittlere Spannungswert auf den Leitern 82 und 84 befindet sich sehr nahe bei Masse oder bei Null, verglichen mit dem quadratischen Mittelwert oder Effektivwert der Spannung aus dem Oszillator 90. Die resultierende beinahe Gleichheit in den Spannungen an den Elektroden 50 und 68 und deren konstruktive Beziehungen, wie an früherer Stelle geschildert, ermöglicht es, daß die Elektroden als kapazitive Schirme oder Schutzvorrichtungen gegeneinander wirken und dicht gedrängt angeordnet werden können, ohne sich zu beeinflussen. Eine von der Umwelt hervorgerufene Änderung, die eine Elektrode beeinflußt, erzeugt eine ähnliche Wirkung auf beide Kapazitäten zwischen dem Zylinder 40 und den Elektroden 50 und 68, so daß die Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse dadurch erhöht wird.

Durch eine genaue Bearbeitung der F.lektrodenanordnungen 44 und 44a lassen sich weitere unerwartete Verbesserungen in der Unempfindlichkeit der Sonde gegen Umwelteinflüsse erzielen, so daIi also eine Ungleichheit der Kapazitätswerte zwischen dem Zylinder 40 und den Elektroden 50 und 68 beseitigt wird, jede Sondcnspitz.enanordnung 44 kann als Koaxial-Kapazitat betrachtet werden, bei der die axiale Länge der Kapazität kurz im Vergleich zur Radiusdifferenz des inneren und des äußeren L.eiters isl. Bei der gewöhnlichen Koaxial-Kapazität ist der Kapazitätswert eine direkte Funktion der axialen Länge der Kapazität und eine umgekehrte Funktion des Logarithmus des Verhältnisses der Radien des inneren und des äußeren l.eiters. Das Randfcld wird normalerweise vernachlässigt. Wenn der innere und der äußere Leiter und das dielektrische Material /wischen diesen so ausgewählt und ausgelegt wird, daß sich gleiche Tcmpcraturausdehnungskoeffizicntcn ergeben, dann verändert eine 7'empcraiuränderung in der Koaxial-Kapazitäl nicht das Verhältnis der Radien des inneren und des äußeren l.eiters. sondern beeinflußt die axiale Länge der Kapazität, so d?ß dadurch der Kapazitätswert einer derartigen Koaxial-Kapazität sich direkt mit den Temperaturausdehnungskoeffizienten des Materials ändert, aus dem diese Kapazität hergestellt ist.

Wenn die Höhe oder die axiale Länge der Koaxial-Kapazität so weit vermindert wird, bis die Länge nur einen kleinen Teil der Differenz zwischen den Radien des inneren und des äußeren Leiters ausmacht, dann spielt die axiale Länge der Kapazität für den gesamten Kapazitätswert eine untergeordnete Rolle. Der Beitrag der Randfelder auf den gesamten Kapazitätswert ist wesentlich. Daher kann bei kleinen axialen Längen das Verhältnis der Radien des inneren und des äußeren Leiters zu einem einschneidenderen Faktor für die Kapazitätswerte zwischen dem Zylinder 40 und den Elektroden 50 und 68 gemacht werden. Durch Auswahl von Materialien für die Elektroden und Ringe entsprechend einem gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten, können die Kapazitätswerte bei sich ändernder Temperatur nahezu unveränderlich gehalten werden.

Durch genaue Bearbeitung der im folgenden aufgeführten Abmaße, können die Elektrodenanordnungen 44 entsprechend kritischer Abmaße nahezu identisch ausgeführt werden, mit dem Ergebnis, daß sie eine anfänglich gleiche Kapazität bzw. Kapazitätswert mit großer Genauigkeit aufweisen. Diese Gleichheit kann dann über einen großen Temperaturbereich beibehalten werden, was sich aufgrund der geringen Temperaturabhängigkeit, wie zuvor dargelegt, ergibt. Man erhält dann eine elektronische kapazitive Sonde mit bedeutend verbesserter Genauigkeit und Unabhängigkeit von Umvelteinflüssen.

Die für die Steuerung als besonders wichtig festgestellten Abmaße sind wie folgt:

a) Der Umfang und die axiale Länge des Umfangs der Elektroden 50 und 68 (die axiale Länge ist von untergeordneter Bedeutung, wenn sie sehr klein ist);

b) der Umfang und die axiale Länge der inneren Flächen der Ringe 58 und 64 und

c) der Abstand zwischen der inneren Wand der Ringe 58 und 64 und dem Umfang der Elektroden 50 und 68 entsprechenden dielektrischen Ringen 56 und 66, und die axiale Länge der Ringe 55 und 66, um den Abstand der konzentrischen Kapazität, die zwischen den Ringen und den Elektroden gebildet wird, beizubehalten.

Mit diesen Abmaßen, die sich in einer Toleranz von ±0,000254 oder ±0,000508 cm bewegen, läßt sich eine Sonde mit hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit erreichen und /war auf der Grundlage der zuvor geschilderten Theorie und Wirkungen. Das Einhalten dieser Abmaßtoleranzen stellt ebenso einen hohen Grad an Wiederholbarkeit in der Empfindlichkeit von einer Sonde zi- nächsten sicher. Die Empfindlichkeit ist als Änderung Jes Kapazitätswertes zwischen der ersten Elektrode 50 nach Masse oder Erde relativ zu Änderungen im Abstand zwischen der Fläche 100 und der äußeren Fläche der Elektrode 50 definiert.

Andere Abmaße der Sonde sind weniger kritisch ;iIs dir zuvor erwähnten und sie können sich innerhalb normaler Bearbeitungstoleranzen, ohne Verlust an Genauigkeit, Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse oder andere Ausführungseigenschaften dieser Sonde bewegen. Fin Schiitzcffckt einer Elektrode 50 und 68 pcgeniiber der anderen trägt ebenso zur Verminderung der erforderlichen BearbeiUingsgenauigkeit in der inneren Wand 46 und dem Abstand zwischen den Elektroden bei.

Bei der Bestimmung des radialen Abstandes zwischen den Außenumfängen der Elektroden 50 und 68 und der inneren Fläche der Ringe 58 und 64, oder die radiale Dicke der Ringe 56 und 66, spielt die maximal zu erwartende Entfernung oder Abstand zwischen der Elektrode 50 und der Fläche 100 bei den bei der Verwendung der Sonde herrschenden Zuständen eine wichtige Rolle. Wenn dieser Abstand zunimmt, verläuft ein beträchtlicher Teil des elektrostatischen Feldes zwischen der äußeren Fläche der Elektrode 50 der ersten Anordnung und den auf Massepotential befindlichen Punkten in den Ring 58 anstatt zur Fläche 100. Eine dementsprechende Verminderung der Empfindlichkeit der Sonde kann durch diese »Schaltung« des Flusses erwartet werden. Die Auslegung der dielektrischen Ringe 56 und 66 kann daher im Hinblick auf den maximal zu erwartenden Abstand zwischen der Elektrode 50 und der Fläche 100 vorgenommen werden. Eine praktische Rege! für die radiale Dicke der Ringe 56 und 66 besteht darin, diese Dicke zweimal der maximal zu erwartenden Entfernung oder Abstand zwischen Elektrode 50 und Fläche 100 zu wählen.

Einige zusätzliche Bedingungen hinsichtlich der allgemeinen Lage der Flächen beachten:

1. Die innere Wand der Hülse 62 ist von Bedeutung, da sie die Randfelder von der Vergleichselektrode 44a beeinflußt, so daß sie daher den Ring 64 gut abgelegen von der Berührungsfläche zwischen Ring 64 und dielektrischem Ring 66 hemmen oder aufhalten sollte.

2. Für den Fall, daß die Fläche 100, zu welcher der Abstand von der Sonde gemessen werden soll, entweder nicht geerdet oder nichtleitend ist, sollte die kombinierte Querschnittsfläche des Ringes 58 und des Zylinders 40, die zur Fläche 100 weisen, jeweils um eine oder um zwei Größenordnungen größer als die Querschnittsfläche der Elektroden 50 sein, die gegen die Fläche 100 zeigen. Dieser letztere Zwang bedeutet eine sehr viel niedrigere Impedanz zwischen geerdetem Zylinder 40 und Fläche 100, als von der Elektrode 50 unter den Bedingungen einer nicht geerdeten oder nicht leitenden Fläche 100.

Eine weitere wesentliche Bedingung für die Konstruktion der Sonde, die von Bedeutung für ein sicheres Irrachen eines hohen Grades an Genauigkeit bei jeder Umweltbedingt r.g ist, besteht darin, daß die Elektroden 50 und 68, die dielektrischen Ringe 56 und 66, und die Ringe 58 und 64 einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.

Bei einer normalen Umgebung sind bei einer Sonde der zuvor beschriebenen Art die hygroskopischen Eigenschaften des Materials, aus dem die dielektrischen Ringe 56 und 66 hergestellt sind, von großer Bedeutung. Die geringste Absorption von Wasser oder einem anderen Material aus der Umgebung der Sonde in die dielektrischen Ringe 56 und 66 oder in den inneren Raum 48 kann die zwei Kapazitätswerte zwischen dem Zylinder 40 und den Elektroden 50 und 68 in einem Ausmaß verändern, daß die Genauigkeiten sehr verschlechtert werden, die mit einer Sonde der zuvor beschriebenen Konstruktion erreicht werden können.

Um eine genaue Betriebsweise der Sonde ζ·.ι erreichen, sollten die dielektrischen Ringe 56 und 66 aus einem Material hergestellt werden, welches einen sehr niedrigen Absorptionsindex für Wasser oder anderes fremdes Material aufweist, welches sich in der Umgebung der Sonde befinden kann.

Die dielektrische Masse in den Ringen 56 und 66 sollte ebenso eine undurchdringbare Barriere gegen das Eintreten von Wasser oder fremdem Material aus der Umgebung der Sonde in das Innere 48 bilden. Das die Elektroden 50 und 68 und die Ringe 58 und 64 formende Material ist normalerweise ein Metall, welches inhärent nicht absorptionsfähig und durchdringbar ist. Die biegsame Füllmasse 60 unterstützt eine möglichst vollständige Isolierung des Inneren 58 der Sonde gegen die Umgebung.

Beispiele für die Materialien der Ringe, die beide Anforderungen hinsichtlich der hygroskopischen Eigenschaften und hinsichtlich des Temperaturausdehnungskoeffizienten erfüllen, sind Hart- oder Weichglas, AIjOj und andere Metalloxyde, die nicht halbleitend sind. Besonders zu vermeiden sind die meisten Epoxy-Dielektrika oder Steingutverbindungen, da man bei der Verwendung dieser Massen in Sonden gemäß F i g. I festgestellt hat, daß eine Absorption und ein Eindringen durch diese in die Dielektrikas die Genauigkeit und Wert der Sonde herabsetzen.

Es besteht auch die Möglichkeit oder zusätzlich die Möglichkeit, den Überzug 98 in F i g. 2 über das offene Ende 42 und der Meßelektrode 44 der Sonde anzuordnen. Dieser Überzug oder Abdeckung dient als Barriere gegen den Eintritt von Wasser oder fremdem Material aus der Umgebung der Sonde in die dielektrischen Ringe 56 und 66 und in das Innere 48. Die Verwendung des Überzugs über der Abdeckung 98 ist wünschenswert, und zwar auch dann, wenn es sich um nicht absorptionsfähige dielektrische Ringe 56 und 66 handelt, da eine geringe Menge Wasser oder Fremdmaterial sich nicht nur an den Flächen der dielektrischen Ringe, sondern auch an den Flächen der leitenden Ringe 58 und 64 und der Elektroden 50 und 68 absetzen bzw. ansammeln kann. Abdeckungen, die für diesen Zweck gute Dienste leisten, sind Silikon-organische Verbindungen im allgemeinen und Titandioxyd (TeO₂)-

Verschiedene Ausführungsformen der zuvor beschriebenen Sonde wurden entwickelt, die bestimmte zuvor erwähnte Vorzüge mit sich bringen, die Ausführungsform der Sonde in bestimmter Hinsicht verbessern und die Herstellungskosten herabsetzen.

Fig.4 zeigt im Querschnitt die zwei Elektrodenanordnungen einer Sonde, die grundsätzlich ähnlich der

Il

Ausfuhriingsform gemäß Fi p. 2 sind, ein äußeres !eilendes Gehäuse 102 mil einer ersten Elektrodenanordnung !04 aufweisen, die aus dein Ring 106, dem dielektrischen Ring 108 und der zentralen leitenden Elektrode HD besieht; diese Anordnung wHst eine äußere gekrümmte Fläche 112 auf. Eine derartige gekrümmte äußere Fläche 112 wird dann benöligt, wenn eine Fläche 114, deren Abstand von der Sondenspitze 110 auf kapazitivem Weg gemessen werden soll, selbst gekrümmt verläuft und zwar längs dem Abschnitl, der der Sondenspitze 110 gegenüberliegt. Bei anderen Anwcndungsfällen kann die gekrümmte fläche II2 dazu verwendet werden, bestimmten Zonen /wischen der Fläche 114 und der Spitze 110 entsprechend dem Ansprechen einer Anzeigevorrichtung S2 größere Bedeutung zukommen zu lassen als anderen Zonen.

F i g. 5 zeig·; einen Querschnitt und schematisch einen Teil eines Schaltbildes eines einfacher herzustellenden Sondeneinschubes 116, der mit einem zylindrischen leitenden Gehäuse 118 umgeben ist.

Der Einsrhub 116 besteht aus einer cr.s'.en Elektrodenanordnung 120 und aus einer zweiten Elektrodenanordnung 122, die mit Hilfe eines zylindrischen elektrisch leitenden Feslhaltebandes 124 im axialen Abstand und in paralleler L.age gehalten sind, wobei diese Ausführung konstruktiv besonders einfach aufgebaut ist und leicht in den Zylinder 118 eingeschoben werden kann. Die erste Elektrodenanordnung 120 besteht aus einer ersten elektrisch leitenden Meßelcktrode 126, die von einem dielek:rischen Ring 12fe umgeben ist und am Außenumfang Kontakt mit diesem hat. wobei dieser Ring seinerseits wieder elektrischen Kontakt an seinem Außenumfang: mit einem elektrisch leitenden Ring Π0 hat.

Die Vergleichselcktrode 122 isl konstruktionsmüßig im wesentlichen identisch mit der Meöclektrode 120 und weist eine zweite elektrisch leitende Elektrode 1 32, einen dielektrischen Ring 134 und einen elektrisch leitenden Rin,g 136 auf. Ein Festhalteband 124 hält die Meßelektrode 120 und die Vergleichselektrode 122 parallel zueilander und im Abstand längs einer gemeinsamen Achse 138, wobei dieses Band an beiden Enden bzw. Zylinderenden einen Abschnitt mit größerem Innendurchmesser aufweist, der ausreichend groß ist, so daß jede Elektrodenanordnung plan mit dem jeweiligen Ende des Bandes 124 abschließt und in einer festen Passung zwischen der Innenwand des Bandes 124 und dem Außenumfang jedes elektrisch leitenden Ringes 130 und 136 aufweist.

Die Elektroden, dielektrischen Ringe und elektrisch leitenden Ringe und das Festhalteband können irgendeine geschlossene quadratische oder rechteckige Querschnittsform, wie dies zuvor beschrieben wurde, aufweisen. Sie sind in gleicher Weise dimensioniert und zwar zwischen Meßelektroden- und Vergleichselektrodenanordnung, wobei sich diese Abmaße in Toleranzen bewegen, wie sie unter Hinweis auf die Sonde gemäß F i g. 2 erwähnt wurden.

Die gesamte Anordnung 116 ist so ausgelegt, daß sie in den Zylinder 118 einpaßt, so daß man eine komplette Sondenkonstruktion erhält. Der Abschnitt 140 des Zylinders 118, in welchem die Anordnung 118 eingeschoben ist, ist so bearbeitet, daß sich eine relativ dünne Wand ergibt, und besteht weiter aus einem elastischen Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl. Der dünne Abschnitt 140 aus rostfreiem Stahl weist eine ausreichende Elastizität auf, so daß die gesamte Anordnung 116 sich um den geringen Betrag

ausdehnen kann, der während einer Wärmeausdehnung und Zusammenziehung der Anordnung 116 auftritt. Die Anordnung 116 ist so konstruiert, daß sie einen einheitlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten entsprechend aller Einzelteile aufweist, wobei man beispielsweise die dielektrischen Ringe aus Glas herstellen kann.

Das andere Ende des Zylinders 118, welches dem Abschnitt 140 gegenüberliegt, weist ein Gewinde 142 auf, welches so ausgelegt ist, daß der Zylinder 118 an einer weiteren Anschlußkonstruktion (nicht gezeigt) befestigt werden kann, um die gesamte Sonde in einer bestimmten Beziehung zu einer festen Konstruktion m halten. Ein elektrisches Verbindungsteil 144 dichtet hermetisch das Ende des Zylinders !!8 mit dem Gewinde 142 ab und paßt in einen geeigneten Verbindungsstecker mit zwei Anschlüssen (nicht pezeigt)der Anschlußkonstruktion hinein.

leder der zwei Anschlüsse in dem Vcrbindungsteil 144 ist über Leiter 146 und !48 jeweils an gegenüberliegende Verbindungspunkte einer Diodenmatrix 150 angeschlossen, wobei diese Diodenmatrix aus einem fortgeführten Ring aus vier verbundenen Dioden 152 besteht, die im leitenden Sinn in einer Richtung geschaltet sind. Die anderen zwei Verbindungspunkte zwischen den Dioden in dem Ring der Matrix 150 sind jeweils an eine erste und eine zweite elektrisch leitende Elektrode 126 und 132 angeschlossen, wie dies zuvor ebenfalls der Fall war. Die Diodenmatrix 150 kann entweder zwischen den Verbindungsstecker 140 und der Vergleichselektrode 122, oder zwischen den zwei Elektrodenanordnungen 120 und 122 angeordnet sein. wie dies gezeigt ist.

F i g. 6 zeigt eine Schnittdarstellung einer Endzone einer kapazitiven Sonde, bei der eine Meßelektrode 154 und eine Vergleichselektrode 156 zwischen einer zylindrischen und elektrisch leitenden Hülse 158 angeordnet sind. Die Meßelektrode 154 und die Vergleichselektrode 156 bestehen jeweils aus einer ersten und einer zweiten dielektrischen Masse 160 und 162, auf die jeweils ein zentraler elektrisch leitender Niederschlag oder Punkte 164 und 166 aufgebracht ist, wobei diese Anordnung die Elektroden, wie sie zuvor beschrieben wurden, ersetzen.

Mit einem elektrisch leitenden Niederschlag .·ersehene Bänder oder Ringe 168 und 170 umgeben jeweils die Niederschläge oder Punkte 164 und 166 auf den Massen 160 und 162 und weisen einen Abstand von diesen auf. jedes Band 168 und 170 ist koaxial zu einer mittleren Achse jedes Punktes 164 und 166 angeordnet, wobei diese Achse mit einer zentralen Achse 172 des Zylinders 158 zusammenfällt. Jede Unterlage oder Masse 160 und 162 verläuft in ihrer Ausdehnung im rechten Winkel zur Achse 172 des Zylinders 158.

Bei der Herstellung des Niederschlages auf den Bändern 168 und 170 darf das leitende und aufgetragene Material sich auch auf die Außenumfänge 174 und 176 der Unterlagen 160 und 162 niederschlagen. Bei dieser Form des Umfanges jeder Unterlage, die gleich der Querschnittsform des Zylinders 158 ist, kann dieser zusätzliche Niederschlag an den Umfangen 174 und 176 dazu beitragen, daß beide Elektrodenanordnungen dicht in den Zylinder 158 einpassen und einen elektrischen Kontakt zwischen Zylinder 158 und jedem elektrisch leitenden Band 168 und 170 sicherstellen.

Elektrische Leiter 178 und 180 sind in herkömmlicher Weise an die Niederschläge oder Punkte 164 und 168 jeweils angebracht und verbinden die Unterlagen oder Massen 160 und 162 und den Metaliniederschlag oder

Punkt 166 mit der zuvor beschriebenen Schaltung.

Es ist natürlich möglich, die Meßelektrode 154 und die Vergleichselektrode 156 in einem Behälterband ähnlich dem Band 124 anzuordnen, was in Fig.5 veranschaulicht ist. bevor sie in den Zylinder 158 eingesetzt werden, ϊ

Die Vorzüge dieser Konstruktion bestehen darin, daß die leitenden Elemente, die die kapazitiven Platten für die Kapazität zwischen dem Zylinder 158 und den zentralen Niederschlagen oder Punkten 164 und 166 bilden, praktisch keine axiale Ausdehnung aufweisen in und somit auch keine bedeutende axiale Temperaturausdehnung besitzen. Auch wird die temperaturbedingte Ausdehnung jeder Elektrodenanordnung 154 und 156 vo'iständig durch die Unterlagen oder Massen 160 und 162 bestimmt, die vollständig homogen ausgeführt sein können, den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen uüJ ein vollständig einheitliches Temperaturansprechverhalten besitzen.

Die Niederschläge können aus einer Reihe von Prozessen gewonnen werden, wie

1. Schmelzglasgebundene Metallsuspensionen;

2. Zerstäubung;

3. Vakuumverdampfung und

4. Galvanostegie.

2j

Man kann sagen, daß diese Techniken eine wirtschaftliche Massenproduktion bei verminderten Kosten ermöglichen und zwar unter Beibehaltung desselben hohen Grades der Abmaßtoleranzen zwischen der Meßelektrode und der Vergleichselektrode. m

Es ist ebenso möglich, die Meßelektrodenanordnung 154 mit dem elektrisch leitenden Niederschlag oder Niederschlägen, die nach innen weisen anstatt nach außen, wie in F i g. 6 gezeigt ist, herzustellen. Hierdurch wird eine Zerstörung der Fläche, die die leitenden ji Elemente enthält, verhindert, als auch eine Barriere gegen Umwelteinflüsse für die Meßelektrodenanordnung 154 geschaffen und zwar durch geeignete Wahl eines nicht absorptionsfähigen und undurchdringbaren Unterlagematerials wie beispielsweise Glas.

F i g. 7 zeigt nun eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der grundlegenden kapazitiven Sonde mit einem teilweise schematischen Stromlaufplan. Hier besteht die zylindrische Hülse 194 für die Sonde aus zwei zylindrischen und konzentrisch angeordneten elektrischen Leitern, und zwar aus einem äußeren Leiter 196 und aus einem inneren Leiter 198, die zwischen sich koaxial ein zylindrisches dielektrisches Abstandsteil 200 aufweisen.

Die Meßelektrode und die Vergleichselektrode 202 ,0 sind in Fig. 7 veranschaulicht, sollen jedoch nicht im Detail beschrieben werden, mit der Ausnahme, daß sie die Form irgendeiner der zuvor beschriebenen Konstruktionen aufweisen können.

Elektrische Leiter 204 und 206 führen von jeder Elektrodenanordnung, wie dies auch zuvor der Fall war, zu einer Diodenmatrix 208. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 kann jedoch die Diodenmatrix 208 von der Sondenspitze um die Länge des Kabels 209 entfernt sein, wobei eine Doppelabschirmung bestehend aus dem mi äußeren Schirm 210 und dem inneren Schirm 212 jeweils an den äußeren und inneren zylindrischen Leiter 1% und 198 angeschlossen ist und im Inneren die Leiter 204 und 206 verlaufen. Das Kabel 209, welches die Schirme 210 und 212 aufweist, endet in einem Schaltungsgehäuse 6--, 214, welches eine Meßschaltung 216 mit einer Diodenmatrix 208. kapazitiven Zweigen 86,88, Induktivitäten 94 und einen Oszillator 90 beinhaltet, wie dies zuvor der Fall war. Der Schirm 210 des Kabels 209 schafft die Möglichkeit, daß die Schaltung 216 von der Zone der kapazitiven Sonde entfernt angeordnet werden kann.

Das Schaltiingsgehäuse 214 besteht aus zwei dielektrischen und im Abstand angeordneten elektrischen Leitern, einem äußeren Leiter 218 und einem inneren Leiter 220, die jeweils an den äußeren und an den inneren Schirm 210 und 212 angeschlossen sind. Der äußere Leiter 218 stellt effektiv die Masse oder Erde der Schaltung oder einen gemeinsamen Punkt dar, ist wünschenswert, jedoch nicht zum Abschirmen der Schaltung 216 erforderlich. Der innere Leiter 220 wirkt als Schirm und sein Vorhandensein ist wichtig, um die Meßschaltung 216 abzuschirmen.

Der Ausgang des Oszillators 90, der die kapazitiven Zweige 86 und 88 speist, ist ebenso an den inneren Leiter 220 angeschlossen und dieser ist seinerseits an den inneren Schirm 212 und den inneren zylindrischen Leiter 198 angeschlossen.

E..u~-.«u.1 u j:, lu-u-Li.-:. -: . λ uui i-i .«.,: 3 Lri.3ii.iii aucii uic IVIUgIiUiItVCIi, chic /-tLiuii/civrvapaf.1-

tät 222 zum Abblocken der Gleichspannung zwischen den Oszillator 90 und die kapazitiven Zweige 86 und 88 und den inneren Leiter 220 einzuschalten.

Der innere zylindrische Leiter 198, der innere Schirm 212 und der innere Leiter 220 dienen als Schutz für die Elektrodenanordnungen 202. und ebenso als Schutz für die zugeordneten elektrischen Leiter 204 und 206 und die Meßschaltung 216. Durch den Schutz der Anordnung 202 mit Hilfe eines Schirmes gemäß der Ausführungsform nach Fig. 7. bei im wesentlichen den gleichen momentanen elektrischen Potential wie das der Leiter 204 und 206 und das der Elektroden 50 und 68 in der Anordnung 202. kann die kapazitive Wirkung zwischen Massepotential und den Leitern 204 und 206 und den Elektroden 50 und 68 sehr klein gehalten werden und zwar trotz großer Entfernungen und trotz einer großen Länge des Kabels 209 zwischen Zylinder 194 und dem Schallungsgehäuse 214. Je kleiner der Kapazitätswerl zwischen Masse und den Leitern 204 und 206 ist, desto größer ist die Empfindlichkeit der Sonde, die als prozentuale Änderung des Kapazitätswertes zwischen Masse und den Leitern 206 und der Elektrode 50 für eine gegebene Entfernungsänderung zwischen der Meßelektrode 50 und der Fläche 100 definiert ist. von welcher Entfernung aus gemessen werden soll. Auch die Abhängigkeit von Umwelteinflüssen wird reduziert, da weniger beeinflußbare Kapazität bzw. Kapazitätswert vorhanden ist.

Ein weiterer Vorteil der geschützten und abgeschirmten Kapazitätssonde gemäß F i g. 7 besteht darin, daß das gleiche Potential auf dem inneren Zylinder 198 den elektrischen Fcldfluß von der Meßelektrodc 50 der Sonde zur Fläche 100 lenkt und ebenso weg von dem äußeren Zylinder 196. Das Vorhandensein eines derartigen Schutzes oder Abschirmung schafft die Möglichkeit, daß die kapazitive Sonde ihre Empfindlichkeit bei großen Abständen von der Fläche 100 beibehält, im Gegensatz bei einem Fehlen dieses Schutzes oder Abschirmung.

Die F i g. 8 und 9 zeigen eine Schnitldarstellung einer abgewandelten Ausführungsform einer abgeschirmten oder geschützten Kapazitälssonde. Ein leitendes zylindrisches Gehäuse 226 mit einem einzelnen Leiter 226 ist vorgesehen, wobei jede Elektrodenanordnung aus einer dielektrischen Unterlage oder Platte 228 besteht, auf der ein elektrisch leitender mittlerer Niederschlag 230 aufgebracht ist bzw. auf die Fläche dieser Unterlage 228

aufgebracht ist. Eine Abschirmung wird mit Hilfe eines elektrisch leitenden und mit einem entsprechenden Niederschlag versehenen Bandes 232 erreicht, welches den mittleren Niederschlag 230 auf der Unterlage 228 umgibt. Wie: in F i g. 8 und 9 veranschaulicht ist, so kann diese letzte Konstruktion der Kapazitätssonde entweder mit Niederschlägen 230 und 232 versehen sein, die vom Inneren der Sonde nach außen weisen, wie in Fig.8 gezeigt ist, oder es besteht die Möglichkeit, bei einer umgekehrten Ausführungsform, daß die Niederschläge nach innen zeigen, wie dies Fig.9 veranschaulicht. Die Ausführungsform gemäß Fig.9 bietet den zusätzlichen Vorteil, daß die Niederschläge 230 und 232 geschützt werden.

Bei den Ausführungsformen gemäß F i g. 8 und 9 ist die Schutz- oder Abschirmwirkung des Bandes 232 darauf beschränkt, das elektrische Feld von dem zentralen Niederschlag 230 zur Meßfläche hinzulenken, die in einem Abstand vom Ende der Kapazitätssonde in Lage gebracht wird. Es tritt auch eine Wirkung vom Niederschlag 232 her auf, der in einer Abschirmung des Feldes zwischen dem zylindrischen Gehäuse 226 und dem zentralen Niederschlag 230 besteht, jedoch weniger stark ausgeprägt ist als bei der Ausführungsform gemäß F i g. 7.

Wenn der Wunsch besteht, die Kapazitätssonden gemäß F i g. 8 und 9 von der Schaltung 216 der F i g. 7 abgelegen in Betrieb zu nehmen, also mit einer Kabelverbindung dazwischen, so ist es erforderlich, ein abgeschirmtes Kabel 209 zu verwenden, bei dem dann eine Verbindung von einem inneren Schirm 212 den Abschirmbändern 232 hergestellt werden muß und wobei die elektrischen Leiter, die von den zentralen Niederschlägen 230 abgehen, zentral durch den Schirm des Kabels 209 verlaufen müssen.

Im folgenden soll nun die Betriebsweise der Schaltung beschrieben werden, die für die Anwendung der zuvor beschriebenen Sonden verwendet werden kann, um eine Anzeige der Ausgangsgröße des Kapazitätswertes zwischen der Meßelektrode der Sonde und einer Fläche vorzusehen. Der Aufbau dieser Schaltung wurde bereits kurz an früherer Stelle beschrieben.

Fig. 10 zeigt eine Impedanz-Meßschaltung oder Brücke 234, die von einem Oszillator 90 gespeist wird, der für die erforderliche Erregung der Detektor- und B:zugskapaziläten 236 und 238 sorgt. Diese Kapazitäten 236 und 238 sind normalerweise jeweils Meß- und Abgleichkapazitäten. In der Impedanz-Meßschaltung 234 wird die vom Oszillator 90 eingespeiste Erregergröße zwischen den Impedanzen in den Zweigen 240 und 242 ausgeteilt, wobei diese Impedanzen normalerweise durch große kapazitive Werte oder Widcrstandswerle gekennzeichnet sind und ebenso durch einen effektiv offenen Gleichspannungskreis und eine wesentlich kleinere Wechselstromimpedanz als diejenige der Kapazitäten 236 und 238 bei der Frequenz des Oszillators 90 gekennzeichnet sind. Der durch die Impedanzen 240 und 242 fließende Strom gelang! zu einer Diodenmatrix 244, welche den Strom auf den Impedanzen 240 und 242 /wischen den Detektor- und Abgleichbezugskapazitätcn 236 und 238 schallet, was von der Polarität des Stromes aus dem Oszillator 90 abhängig ist.

Auf diese Weise erzeugt die Erregergröße über die Verbindungspunkte 246 und 248. wo sich die Impedanzen 240 und 242 jeweils an die Diodenmatrix 244 anschließen, ein Signal an den Punkten 246 und 248 (ebenso bei 262 und 264). wobei eine Glcichspannungskomponente die Kapazitatsunterschiede zwischen der Detektor- und Bezugskapazität 236 und 238 kennzeichnet. Für eine Wechselstromfilterung sind Induktivitäten 250 und 252 an die Verbindungspunkte 246 und 248 angeschlossen, und diese Induktivitäten liegen auf der anderen Anschlußseite an Meßeinrichtungen 254 und 256, damit die Gleichspannungskomponente nach Masse zurückfließen kann und um die Gleichspannungskomponente an den Verbindungspunkten 246 und 248

in anzuzeigen, ohne dabei die Anzeige durch die wesentlich größere Wechselstromkomponente aus dem Oszillator 90 zu verfälschen.

Es ist bedeutungsvoll, daß die momentane Spannung an den Kapazitäten 236 und 238 und am Oszillator 90

ii nahezu gleich ist. Dadurch wird der Effekt einer Zwischenelektrodenkapazität minimal gestaltet und darüber hinaus kann jede Elektrode in den Sonden ^ inen geringen Abstand aufweisen bzw. es können eine Vielzahl an Elektroden, wie dies zuvor beschrieben wurde, verwendet werden. Die abgeschirmte Ausführungsform gemäß Fig.7 kann ebenso in einfacher Weise aufgrund der zuvor erwähnten Tatsache und Ergebnis verwirklicht werden. Je ein Anschluß der Quelle, der gemessenen Kapazität und des Ausgangs kann geerdet werden. Auch sind wesentliche Unterschiede zwischen den Kapazitätswerten der Kapazitäten 236 und 238 möglich, während die Anzeige der Ausgangsgröße dennoch linear mit dem Kapazitätswert der Kapazität 236 veränderlich ist.

in Die Ausgangsanschlüsse 258 und 260 sind an den Verbindungspunkt zwischen jeder Induktivität 250 und 252 und den Meßeinrichtungen 254 und 256 angeschlossen. Die Ausgangspunkte 258 und 260 stellen Abgriffsanschlüsse für die Gleichspannungskomponente an den

j-, Verbindungspunkten 246 und 248 für eine weitere Signalverarbeitung dar, wie dies im folgenden beschrieben werden soll.

In Fig. 10 sind die Detektor- und Bezugskapazität 236 und 238 außerhalb der Impedanzmeßschaltung 234 angeordnet dargestellt, sie sind jedoch über die Leiter 262 und 264 an die Diodenmatrix 244 angeschlossen. Der Übersichtlichkeit halber sollen im folgenden die Anschlüsse 262 und 264 als Eingangsanschlüsse für die Impedanz-Meßschaltung oder Brücke 234 bezeichnet

•r, werden, während die Anschlüsse 258 und 264 als Ausgangsanschlüsse der Schaltung 234 bezeichnet werden sollen.

Wie sich aus der vorangegangenen Beschreibung in Verbindung mit Fig. 10 ergibt, so ist bei Gleichheit der

-,ο Kapazitätswerte der Detektor- und Bezugskapazität 236 und 238 der Gleichspannungsausgang an einem der Ausgänge 258 und 260 gleich Null. Für kleine Unterschiede zwischen diesen Kapazitäten 236 und 238 ist das Gleichspannungssignal an den Ausgangspunkten

-j-, 258 und 260 proportional zu dieser Differenz.

Für die Sonde gemäß F i g. 2 stellt diese Differenz den Kapazitätswert zwischen der Elektrode 50 in der Meßelektrodenanordnung und der Fläche 100, von der aus der Abstand gemessen werden soll, dar. Eine solche

hu Kapazität ist nach der Standardformcl für den Kapazitätswert zwischen parallelen Platten umgekehrt proportional zum Abstand zwischen der Elektrode 50 und der Fläche 100, von welcher aus die Entfernung gemessen werden soll. Das Ausgangssignal ist somit

h^r, umgekehrt proportional zum Abstand zwischen der Elektrode 50 der Meßclektrode und der abgelegenen Fläche 100.
Fig. 11 zeigt eine abgewandelte Ausfiihrungsform

der Schaltung gemäß Fig. 10, deren endgültige Ausgangsgröße direkt proportional zum Abstand ist, der gemessen werden soll, d, h. also nicht umgekehrt proportional. Eine Brücke 266 ist identisch mit der Impedanz-Meßschaltung 234, diese wird jedoch durch einen signalgeregelten Oszillator 268 erregt, dessen Steuer- oder Regelsignal über einen Regler 270 mit großer Verstärkung zugeführt wird. Dem Regler 280 wird differentiell eine Bezugsgröße 272 und eine Ausgangsgröße aus der Brücke 266-eingespeist, um eine id Gegenkopplungsschleife vorzusehen, so daß die Erregung des Oszillators 268 in einer Weise geregelt wird, so daß die Ausgangsgröße der Brücke 266 im wesentlichen gleich der Bezugsgröße 272 gehalten wird.

Der Oszillator 268 erregt ebenso eine Brücke 274, die mit der Brücke 266 identisch ist. Die Brücke 266 weist eine Detektor- und Bezugskapazität 236 und 238 auf, die an diese angeschlossen sind. Ca ist dabei die Differenz zwischen diesen Kapazitäten bzw. Kapazitätswerten derselben. Die Brücke 274 weist einen Satz an Detektor- und BezugskapAzitäten 276 und 278 auf, die an diese angeschlossen sind. Cb ist die Differenz zwischen den Kapazitätswerten der Kapazitäten 276 und 278, /ist die Bezugsspannung 272, F die Frequenz des Oszillators 268, Vdie Ausgangsspannung des Oszillators 268 und E die Ausgangsgröße der Brücke 274. Es gilt nun folgende Gleichung:

VF C_A = I

VFC_U=E _m

ir

E =

C,

Somit ist E proportional zum ." istand, der bei Cb r> gemessen wird, oder das keziproke von Ca, dem Unterschied der Kapazitätswerte der Detektor- und Bezugskapazitäten der Brücke 266. Die Stromwerte können als Äquivalent zu diesen Spannungsausdrücken ebenso verwendet werden.

Die Fig. 12 und 13 zeigen jeweils eine vertikale Schnittdarstellung und eine horizontale Schnittdarstellung einer sich selbst kompensierenden Kapazitätssonde mit mehreren Elektroden, mit einem rechteckigen elektrisch leitenden zylindrischen Gehäuse 280, welches 4-, eine Meßelektrodenanordnung 282 und eine Vergleichselektrodenanordnung 284 jeweils einschliefst. Jede Elektrodenanordnung ist im wesentlichen identisch aufgebaut und besteht aus einer dielektrischen Hülse 286 mit zwei plan parallelen Flächen, die von drei >o Löchern durchsetzt sind, wobei diese Löcher gemäß den Fig. 12 und 13 vor, links nach rechts ausgerichtet verlaufend angeordnet sind und senkrecht durch die Flächen der Hülse 286 hindurchgehen. In jedes Loch ist eine elektrisch leitende Elektrode 288 eingeführt und ■>■> schließt plan mit den Flächen der dielektrischen Hülse 286 ab. F.ine kleine Menge eines biegsamen Füllmaterials kann, wie bereits erwähnt, zwischen die dielektrische Hülse und den Umfang der elektrisch leitenden Elektrode 288 eingebracht werden. mi

Ein offenes Ende 290 des zylindrischen Gehäuses 280 beinhaltet die Meßelektrodenanordnung 282, die plan mit dem offenen Ende abschließt und im rechten Winkel zu einer zentralen Achse 292 des zylindrischen Gehäuses 280 verläuft. Die Vergleichselektrodenanord- M nung 284 ist parallel zur ersten Anordnung 282 angeordnet und ist vom offen Ende 290 zurückgesetzt und zwar innerhalb dem zylindrischen Gehäuse 280.

Eine äußere Fläche 294 der Meßelektrodenanordnung 282 liegt einer elektrisch leitenden Platte 296 gegenüber, deren Fläche 298 im wesentlichen parallel zur äußeren Fläche 292 der Meßelektrodenanordnung 282 verläuft, so daß eine Bahn oder Pfad zwischen den Flächen 298 und 294 definiert wird, durch weichen ein Streifen oder Band aus einem dielektrischen Material 300 hindurchgeführt werden kann und zwar in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der F i g. 12.

Die Meßelektroden in der Meßelektrodenanordnung 282 sollten in Hinblick oder unter Berücksichtigung der Abmaße des dielektrischen Streifens 300 in Lage gebracht werden, insbesondere in Hinblick auf den linken und rechten Rand 302 und 304 (wie dies in F i g. 12 gezeigt ist), so daß die Kanten 302 und 304 zwischen die Plattenfläche 298 und die linke und rechte elektrisch leitende Meßelektrode 306 und 308 gelegen sind. Eine zentral gelegene elektrisch leitende Meßelektrode 310, zwischen den Elektroden 306 und 308, weist dann zwischen sich und der Plattenfläche 298 einen durchgehenden fortlaufenden Abschnitt des dielektrischen Streifens 300 auf.

In die dielektrische Hülse 286 der Vergleichselektrodenanordnung 282 sind die elektrisch leitenden Vergleichselektroden 312, 314 und 316 eingeschoben, die lagemäßig in der Vergleichselektrodenanordnung 282 den elektrisch leitenden Meßelektrodtn 306, 308 und 310 in der Wleßelektrodenanordnung entsprechen. In dieser Weise sind drei Elektrodensätze von Vergleichsund Meßelektroden definiert und bestehen jeweils aus einer Meß- und einer Vergleichselektrode von entsprechenden Lagen in der jeweiligen Elektrodenanordnung 282 und 284. Elektrische Leiter 318 sind jeweils an jede elektrisch leitende Elektrode angeschlossen und führen durch die Kapazitätssonde von der Platte 296 weg zur Schaltungsanordnung, die im folgenden beschrieben werden soll.

Obwohl die sich selbst kompensierende Sonde mit mehreren Sondenelektroden gemäß Fig. 12 und 13 Elektrodensätze aufweist, die alle in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, ist es bei mehreren Gehäusen für einen Einzelelcktrodensatz, ähnlich der Ausführung gemäß F i g. 2, auch möglich, diese Gehäuse miteinander zu befestigen, um somit eine Sonde mit vielen Sondenspitzen zu erhalten, wobei ein Pfad zwischen der Plattenfläche 252 und einer Fläche der Sonde entsteht, der sich aus der Zusammenfassung mehrerer Meßelektroden von mehreren getrennten Gehäusen ergibt.

Für eine große Meßgenauigkeit der Sonde gemäß Fig. 12 und 13 müssen bestimmte kritische Abmaße innerhalb enger Toleranzgrenzen gehalten werden (in der Größenordnung von ±0.00254 cm) während andere Abmaße innerhalb der üblichen Bearbeitungsloleranzen (±0,0127 cm oder besser) gehalten werden können. Die kritischen Abmaße sind wie folgt:

1. Gleichheit zwischen den Spitzen desselben Satzes hinsichtlich der umfangsmäßigcn axialen Dicke und der Fläche der Umfangskantc oder Rand jeder Elektrode, der zum Gehäuse 280 hinweist; und

2. Gleichheit zwischen den Spitzen desselben Satzes hinsichtlich des Abstandes entsprechend den dielektrischen Hülsen 286 und hinsichtlich deren axialer Dicke relativ /um Gehäuse 280.

Da alle Elektroden nahezu auf demselben elektrischen Potential arbeiten, ist der Abstand zwischen diesen weniger kritisch.

Die Kapazitätssonde mit den vielen Elektroden gemäß Fig. 12 und 13 ist besonders geeignet zum Messen von Änderungen in der Breite oder dem Abstand von der Kante 302 zur Kante 304 des dielektrischen Streifens 300, bei Kompensation von i Änderungen in der Dicke und/oder der Dielektrizitätskonstanten des Streifens 300. Dies kann durch Erfassen von Kapazitätsschwankungen zwischen Plattenfläche 298 und Elektroden 306 und 308 erreicht werden, die dann sowohl diu Schwankungen in der Breite als auch in in der Dicke des dielektrischen Streifens 300 angeben. Kapazitätsänderungen aufgrund einer Schwankung der Dicke oder der Dielektrizitätskonstanten des Streifens 300 kann dann kompensiert werden und zwar durch Veränderung des Kapazitätswertes oder der Kapazität ii zwischen der Plattenfläche 298 und der mittleren oder zwischen gelegenen Elektrode 310, da diese Änderungen sich nur als Ergebnis von Schwankungen in der Dicke des dielektrischen Streifens 300 ergeben.

Dort, wo der Abstand zwischen der Sonde und der Fläche sich ändern kann, ist ein Zusatz zur Sonde der Fig. 12 und 13 erforderlich, um eine Kompensation für die Schwankungen oder Änderung vorzusenen. Diese abgewandelte Sonde ist in Fig. 14 schematisch und im Schnitt gezeigt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 14 sind zwei zusätzliche Elektrodensäize, bestehend aus Meßelektroden 320 und 322 und aus Vergleichselektroden 324 und 325 an beiden Seiten der drei Elektrodensätze der Fig. 12 und 13 angeordnet. Die Fläche 298 der Platte 296 muß so verlaufen, daß alle fünf Elektrodensätze zu dieser hinweisen. Die Meßelektroden 306, 308 und 310 werden relativ zum dielektrischen Streifen 300 in derselben Weise wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 12 und 13 in Lage gebracht. Die Meßelektroden 320 und 322 zeigen dann zur Fläche 298 hin, ohne daß dabei irgendein Abschnitt des Streifens 300 dazwischen liegt.

Es sei der Vollständigkeit halber auch auf die Formeln eingegangen, die den Kapazitätswert zwischen der Fläche 298 und den Meßelektroden 306, 308, 310, 320 und 322 in Ausdrücken des Abstandes und der Eigenschaften des zwischenliegenden Streifens 300 wiedergeben. Diese Kapazitäten, die jeweils mit Cjob, C308, Cjio, Cj2o und Cj22 bezeichnet ;nd, sind wie folgt gegeben:

It₁ k₂

(D - t) Ii₁+ Ik₁

C.108 —

C«,„ = Ik₁

(D - Dk₂ +

Pi "-2 \Pl

[D-Dk₂

= C₁,, =

hierin bedeutet:

a — die Breite oder Weite jeder Meßelektrode;

D = der Abstand von den Meßelektroden zur Fläche

298;
k\ = absolute Dielektrizitätskonstante der Umgebung

der Sonde;
ki = dielektrische Stoffkonslante des dielektrischen Streifens 300;

/ = Länge jeder Meßclektrodc;
/Ji = die Strecke, übe; welche sich der Streifen 300 über die Elektrode 306 bzw. unter der Elektrode

306 ^;.n einer Richtung erstreckt;
pt — die Strecke in einer Richtung, über welche sich der Streifen 300 unter der Elektrode Ü08

erstreckt; und
/ = die Dicke des dielektrischen Streifens 300.

Es soll nun auf Systeme eingegangen werden, mit deren Hilfe die Breite eines dielektrischen Streifens 300 unter Verwendung der Ausführungsform gemäß Fig. 12, 13 und 14 und der Schaltung gcmäfJ Fig, IO gemessen werden kann. Es läßt sich ersehen, daß, wenn die Detcktorkapazität 236 in Fig. 10 aus einer Parallelschaltungskombination der Kapazität zwischen Masse und den elektrisch leitenden Elektroden 306, 308 und 316 besteht, und die Ikvugskapazität 238 aus einer Parallelschaltung oder Kombination des Kapazitätswertes zwischen Mus.tc und elektrisch leitenden

Elektroden 312, 314 und 310 ist, die Ausgangsgröße entweder am Punkt 258 oder 260 kennzeichnend für Änderungen in der Breite und Dicke und Dielektrizitätskonstanten des dielektrischen Streifens 300 ist. wenn der Streifen 300 zwischen der Sonde und der Plaitenflächc 298 hindurchgeführt wird.

Spezifisch ist die Ausgangsgröße an entweder dem Punkt 258 oder 260 proportional zum Ausdruck Cu + Dk, wie zuvor angegeben. Die erste Ableitung hinsichtlich / ist wie folgt:

d7

L*I = ik, k₂

-P₁ -Pi) (Α·|-Α·₂)

(D-Dk₂

Dies kann zu Null gemacht werden, wenn a = p\ + Pi bei einer nominellen Breite des Streifens 300 ist und bleibt sehr dicht bei Null für eine kleine Änderung oder Änderungen der Breite oder Änderungen in pi + feiner nominellen Breite des Streifens 300. Unter diesen Umständen ändern sich die Ausgangsgrößen an den Punkten 258 und 260 der Impedanz messenden Schaltung 234 der Fig. 10 von Null und zwar bei und nur bei Änderungen in der Breite des Streifens 30, der in den Fi g. 13 und 14 gezeigt ist.

Es sei nun auf die Blockschaltbilder der Fig. 15 und 16 eingegangen, die eine Einrichtung zum Messen der Breite und der Dicke des dielektrischen Streifens 300

2!

zeigen und zwar unter Verwendung einer Kapazitätssondcdes in den F ig. 12.13 oder 14 gezeigten Typs.

In Fig. 15 stellen eine Reihe von paarweise eingeordneten Elektrodensätzen 326, 328, 329, 330 und 331 jeweils die MeB- und Vergleichskapazitäten nach Masse dar und zwar von jedem Elektrodensatz 306 und 312; 308 und 314; 310 und 316; 320 und 324; und 322 und 325 m Fig. 14. Die nicht geerdete Seite dieser paarweise angeordnettn Kapazitäten 326, 328, 329, 330 und 331 sind an Eingangsanschlüsse der Brückenschaliiingen 332, 334, 336 und 357 jeweils angeschlossen. wobei cmc elektrische Verbindung zwischen leder Meßelektrode und /wischen jeder Vergleichselektrodc der Sätze 330 und 33! vorgesehen ist. w &,:','. die Parallelschaltung oder Parallelkombiniition ;ius diesen Sätzen als Eingang ;in die Brücke 237 angeschlossen ist. Die Briickcnschaltungcn 332, 334, 336 und 337 sind Kpisohe Nachbildungen oiler Duplikate der Impedanz messenden Schaltung in I ig. 10 und deren Eingänge entsprechen den Eingängen 262 und 264.

Ein Ausgang der Brücke 332 ist als ein Eingang zu einem Sumniicrverstärker 338 geführt. Ein Ausgang der Brücke 334 ist als /weiter Eingang /um Summicrvcrstarker 338 geführt. Durch geeignete und richtige Verbindung /wischen den paarweisen Kapazitäten 326 und 328 und Eingängen 262 und 264 der Brücken 332 und 334 und durch richtige Wahl der Ausgänge 258 und 260 dieser Brücken, kann die Ausgangsgröße des Summier\erstärkers 338 gleich mit der Größe G) gemacht werden, die durch die Gleichung (2) vorausgehend definiert wurde. Dies kann durch Anschließen der Elektroden 312 und 314 an die Eingänge 262 und durch •Nnuhließen der Elektroden 306 und 308 an die Eingänge 264 und durch Verwendung der Ausgänge ο ;er Ausgangsgrößen 258 der Brücken 332 und 334 erreicht werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Brucke 334 zu eliminieren, wobei dann beide Elektroden 312 und 314 an den Eingang 262 der Brücke 332 angeschlossen werden und beide Elektroden 306 und 308 an den Eingang 264 angeschlossen werden, wie dies m .ihnhcher Weise mit der Brücke 337 und den Sätzen 330 und 331 geschah. Die Ausgangsgröße aus dem Surnmierverstärker 338 wird dann durch die Ausgangsgröße der Brucke 332 erset/t.

Ein spannungsgesteuerter Oszillator 340 gibt ein wjLhseif.des elektrisches Potential ab und dieses wird den Brütken 332, 334, 336 und 337 als Erregergröße eingespeist. Die Erregergröße VF am Ausgang des Os/ilia'ors 340 wird durch den Signaleingang zu diesem Oszillator, der aus einem Regler 342 stammt, gesteuert. Das Ausgangssign-..! aus dem Summierverstärker 338 (oder bei der anderen Ausführungsform aus der Brücke 332). welches am Anschluß 344 erscheint, ist somit proportional zu FCp. wobei Cd die Gleichung (2) gegeben ist. Das Ausgangssignal der Brücke 336, welches am Anschluß 346 erscheint, ist proportional zu FCi? aus Gleichung (ί). und das Ausgangssignal der Brücke 337. welches am Anschluß 348 erscheint, ist proportional zu F C_p aus Gleichung (3).

Die Anschlüsse 344, 346 und 348 können an verschiedene Anschlüsse analoger oder digitaler logischer Schaltungsanordnungen angeschlossen werden, um diese dort erscheinenden Signale zu verarbeiten, um ein Signal abzuleiten, welches kennzeichnend für die Breite des Streifens 300 ist. ohne daß dabei Schwankungen oder Änderungen aufgrund von Änderungen in Kj. t oder D, der dielektrischen Materialkonstanten des Streifens, der Dicke oder des Abstandes zwischen Sonde und .lache auftreten. Die FunktionslcmcnU dieser logischen Schaltungsanordnung sollen nun ir Verbindung mit F i g. 15 beschrieben werden.

Die Fig. 16a—16c geben verschiedene Verbindungsschemata zwischen dieser logischen Schaltungsanordnung und den Anschlüssen 344,346 und 348 wieder.

Der den Oszillator 340 steuernde Regler 342 weisi Eingangsanschlüsse 350 und 352 auf. welchen ein Signa aufgedrückt wird, das von der Frequenz des Oszillator» 340 abhängig ist. Der Regler 342 stellt diese Frequenz se lange ein. bis die Signale an den Anschlüssen 550 und 352 im wesentlichen gleich sind.

Eine vom Oszillator 540 erregle Brücke 354. die iir ■,vcsci"!!ichen gleich der Brückcnschaltung 354 ist besitzt fest Kapazitäten 556 und 558 /wischen MasH und den Eingängen 262 und 264 der Brücke 554. Dk Kapazitäten 356 und 358 weisen einen Wen auf. dei nahezu gleich den nominellen Kapazitäten odei Kapazitätswerten in den Sätzen 526, 528, 32S, 3 50 um 331 ist. jedoch sich um einen festen Betrag, tier als C₁ definiert ist. unterscheiden bzw. von diesem Weil abweichen. Die Ausgangsgröße bei 258 der Brücke 35Ί wird differentiell einem Differenzverstärker 360 zusammen mit einer Konstanten 362 eingespeist. Uk Ausgangsgröße des Verstärkers 360 gelangt zu einen' Ncnner-E.ingang einer Teilcrschaltung 364. derer Ausgangsgröße am Anschluß 366 erscheint und diese Ausgangsgröße der Quotient aus einem Signal besteht welches durch eine Zähler-Eingang'größe in die Teilerschaltung 364 von einem Anschluß 368 her. da¹ durch das Signal am Nenner-Eingang geteilt wurde gewonnen wird.

Kin Differenzverstärker 370 ist ebenso in det logischen Schaltungsanordnung vorgesehen und weist zwei Differenzeingänge auf. die an die Anschlüsse 372 und 374 angeschlossen sind, und der Ausgang de¹-Verstärkers 370 zu einem Anschluß 376 führt. Eine weitere Teilerschaltung 378 arbeitet wie die Tcilerschaltung 364, besitzt also einen Zähler-F.ingang, einen Nenner-Eingang und einen Ausgang, die an die Anschlüsse 380, 382 und 384 jeweils angeschlossen sind Ein Differenzverstärker 386 weist zwei Differcnzein gängc auf. wobei der nicht negative Eingang an einer Anschluß 388 geführt ist. der negative Eingang an eine konstante Signalquellc 390 angeschlossen ist und dei Ausgang an einen Anschluß 392 geführt ist. Schließlich erzeugt eine konstante Bczugssignalquelle 394 da> Bczugssignal /. welches am Anschluß 3% erscheint.

In F i g. 16a ist das erste mögliche Vcrbindungssvsten' unter den Anschlüssen der Fig. 15 gezeigt, wobei die Anschlüsse wie folgt verbunden sind: 344 mit 374; 346 mit 350; 3% mit 352 und 372; und 376 mit 388.

Bei Anordnung gemäß Fig. 16a wird das arr Anschluß 346 erscheinende Signal VFCr gleich mit /arr Anschluß 396 gehalten, was mit Hilfe des Reglers 34i geschieht. Somit gilt

Das Signal am Anschluß 344 ist FCd und nach Substitution von F durch Gleichung (4) ist das Signa

-ßo-. Der Anschluß 376 nach dem Verstärker 370 weis dann die Größe auf

/(C_n-C_R

2-\

Dieser Ausdruck kann durch Ausdrücke der physikalischen Abmaße der Sonde umgeformt werden:

Cr ~ ((A₂D

(6)

Nimmt man an, daß D durch richtige Befestigung der Sonde --er F-" ig. 14 relativ zur Fläche 298 konstant gehalten werden kann, so kann die Gleichung (6) unabhängig von Schwankungen in / bei einem nominellen Wert von p\ + />2 gemacht wer.ien. indem man die Sonde entsprechend ;) = p\ + pi ausführt. Auf diese Weise beeinflussen Schwankungen von I nur die ίEmpfindlichkeit des Systems und nicht das [!estchen oder Fortbestehen einer Abweichung vom nominellen r, Wert für p\ + pi.

Schließlich ermöglichen der Verstärker 386 und die konstante Signalquclle 390 eine maßstäbliche Änderung

v.»_i «./ii.it.iiiiiif. _Vu; ititvi uu.i '->""£>■'> >·""■' Jtni.iiigv.it

Abweichung, so daß die Ausgangsgröße Fo am jn Anschluß 392 gleich der Breite des Streifens 300 gemacht werden kann.

Gemäß Fig. 16b sind die Anschlüsse in folgender Weise verbunden: 344 mit 374; 346 mit 350; 368 mit 376; 396 mit 352 und 372; und 366 mit 388.

Der Betrieb der Schaltung, die durch die Verbindungen gemäß Fig. 16b erhalten wird, entspricht demjenigen gemäß Fig. 16a, mit der Ausnahme, daß der Anschluß 376. der die Ausgangsgröße des Verstärkers 370 entsprechend der Gleichung (6) führt, zum Anschluß i<> 368. de : Zähler-Eingang der Teilerschaltung 364 zum Teilen durch die Ausgangsgröße des Verstärkers 360 am Nenner-Eingang erscheint.

Die Ausgangsgröße der Brücke 364 ist gegeben durch: j->

somit Daus der Gleichung (K) /u eliminieren.

Fig. 17 zeigt nun ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems, welches in Verbindung mit der Meßeinrichtung zum Messen der Breite gemäß Fig. 12 und 13 verwendet werden kann, wobei dieses System eine Ausgangsgröße vorsieht, die sich direkt mit der Breite des dielektrischen Streifens 300 ändert, wenn D konstant ist. Fig. 17 zeigt zwei Paare an Sätzen von Meß- und Verglcichskapazitäten 400 und 402. Jede Kapazität in dem Paar 400 ist eine Parallelschaltung der jeweiligen Vergleichs- und Meßkapa/ilätcn /wischen Masse und tier Außenseite der elektrisch leitenden Elektroden in Fig. 12 (d. h.. die !Elektroden 306 und 308 sind elektrisch verbunden und ebenso sind die [Elektroden 312 und 314 verbunden). Das Paar 400 ist an eine Brücke 404 in einer Weise angeschlossen, so daß die Ausgangsgröße der Brücke 400. die in einem an den Ausgang der Brücke 404 angeschlossenen Verstärker ΓΓλΪΒΓλ

fCi. giCiüit uCT vji'Ouc v. [} diiS vjfciCtVltMg

C_R

MA₁ - A, + DA₂)
a IA₁ A₂

(7)

Wenn die Verstärkung des Verstärkers 360 gleich u> a I k\ ki ist und der Wert der Konstanten aus 362 gleich

— ist. dann wird die Ausgangsgröße des Verstärkers 360 gleich ((A-,- k₂). Die Teilerschaltung 364 erzenst dann als Ausgangsgröße ein Signal mit dem -n Wert:

ist Das Paar 402, welches an die Elektroden 310 und 316 angeschlossen ist. ist auf der anderen Seile an eine Brücke 408 angeschlossen, die ihrerseits an ihrem Ausgangsanschluß einen Verstärker 410 speist, so daß man am Ausgang des Verstärkers 410 ein Signal erhält, welches gleich der Größe Ck aus Gleichung (2) ist. Diese Signale werden differentiell in einem Verstärker 412 verbunden, um eine Ausgangsgröße zu erzeugen, die gleich (Cn— Ck) ist. Diese Ausgangsgröße aus dem Verstärker 412 wird einer Tcilerstufe 414 an einem Zähler-Eingang zugeführt. Der Nenner-Eingang der Tcilerstufe 414 ist an den Ausgang des Verstärkers 410 angeschlossen. Die Ausgangsgröße En der Teilerstufc 414 ist demzufolge

C₁ + C, - C₂
C₂

Um nun Änderungen in dem Signal E_n aufgrund von Änderungen in der Dicke /des dielektrischen Streifens 300 zu eliminieren, -vird eine Inverterstufe 416 von der Ausgangsgröße des Verstärkers 410 gespeist und die Inverterstufe 382 gibt ein Ausgangssigna! ab, welches gleich ist mit -i—. Ein Verstärker 418 mit der

a A, D

welches sich direkt mit der Breite des Streifens 300 >» ändert. Der Verstärker 386 und die konstante Signalquelle 390 arbeiten dann in der gleichen Weise wie bei der Ausführung gemäß Fig. 16a, so daß am Anschluß 392 ein Signal erscheint, welches gleich der Breite des Streifens 300 oder deren Abweichung von einem vorgegebenen Wert gemacht werden kann.

In Fig. 16b wurde angenommen, daß der Abstand D zwischen Sonde und Fläche sich nicht sonderlich ändert. Fig. 16c zeigt eine Anordnung, bei der die Möglichkeit besteht, D als Faktor in der Ausgangsgröße der logischen Schaltung zu eliminieren, wenn D variiert.

In F i g. 16c sind die Anschlußverbindungen wie folgt: 344 mit 374; 346 mit 350; 348 mit 382; 368 mit 376; 366 mit 388: 396 mit 352 und 372; und 380 mit 392. Die Betriebsweise ist ähnlich der Ausführungsform gemäß Fig. 16b, mit der Ausnahme, daß die Ausgangsgröße des Verstärkers 386 durch Cp aus Gleichung (3) dividiert wird, welche Größe am Anschluß 348 vorhanden ist, um Verstärkung /a k\ £2 wird differentiell mit der Ausgangsgröße der Inverterstufe 416 gespeist, und eine konstante Signalquelle 420. die durch den Ausdruck

18) ~ΤΠΓ~ gekennzeichnet ist. gibt ein Ausgangssignal ab.

welches gleich der Variablen tfkt — ki) ist. Einer weiteren Teilerstufe 422 wird an einem Zähler-Eingang die Größe E_n zugeführt, und ebenso die Ausgangsgröße des Verstärkers 418 wird einem Nenner-Eingang zugeführt. Die Ausgangsgröße aus der Teilerstufe 422

ist gleich

Die Ausgangsgröße

ί (Ic₁ -

der Teilerstufe 422 wird dann einem

Verstärker 424 eingespeist, und zwar als eine Eingangsgröße, wobei eine konstante Signalgröße aus der konstanten Signalquelle 426 differentiell einem zweiten Eingang des Verstärkers 424 zugeführt wird. Die Ausgangsgröße ist dann ein Signal, welches gleich der Breite des dielektrischen Streifens 300 ist. nachdem die Verstärkung des Verstärkers 424 und der Wert der konstanten Größe aus 426 in geeigneter Weise eingesteiit wurden, wie dies an früherer Stelle für den Verstärker 386 und die konstante Signalquelle 390 in Fig. 15 beschrieben wurde.

Hierzu 7 Bhitl /Ecichnuiiücn 909 520/86

Claims (17)

Patentansprüche:

1. Kapazitätsmeßsonde zur Bestimmung der Kapazität zwischen der Sonde und einem elektrisch leitenden Teil und zur Bestimmung des Abstands zwischen der Sonde und dem elektrisch leitenden Teil unter Verwendung einer kapazitiven Meßeinrichtung mit einer Vergleichskapazität, mit einer Wechselspannungsquelle zum Erregen der Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß in einer elektrisch leitenden Hülse (12; 40; 102; 140; 196, 198; 192, 290; 234) eine scheibenförmige Meßelektrode (14; 44; 104; 120; 154; 202; 282) an der Stirnseite der Hülse und in axialem Abstand zu dieser eine gleichartig gestaltete Vergleichselektrode (16; 44a; 122; 202; 284) angeordnet sind, daß sowohl die Meßelektrode als auch die Vergleichselektrode ein scheibenförmiges, mittleres, elektrisch leitendes Teil (14, 16; 50, 68; 110; 126, 132; 50, 68; 164, 166; 230; 210, 216) aufweisen, welches urrifangsmäLüg von einem Dielektrikum (25; 56, 65; 108; 128,134; 160,162; 286,294) umgeben ist und mit der Meßeinrichtung elektrisch verbunden ist.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Einrichtung (54,58,60,64; 106; 130, 136, 124; 168, 170) zum Haltern der Meß- und Verfcieichselektroden ähnliche Abmaße aufweisen.

3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Haltern der Meßelektrode und die Einrichtung zum Haltern der Vergleichself 'erode aus einem Material mit gleicher Dielektrizitätskonstanten bestehen.

4. Sonde nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse ein Zylinder ist und daß die McJ- und Vergleichselektrode von einem dielektrischen Ring (26; 56,66; 108; 128, 134; 160, 162; 286, 294) umschlossen sind, der von einem elektrisch leitenden Ring (58,64; 106; 130,136; 170,168; 236,232) umschlossen ist, und daß der Umfang des dielektrischen Ringes im wesentlichen parallel zur inneren Wand des Gehäuses verläuft und der elektrisch leitende Ring den Umfang des dielektrischen Ringes umgibt und elektrischen Kontakt mit diesem und mit dem Gehäuse aufweist.

5. Sonde nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile der Meßelektrode und der Vergleichselektrode derart bemessen sind, daß Gleichheit in der Kapazität zwischen Meßelektrode und Hülse und zwischen Abgleichelektrode und Hülse besteht.

6. Sonde nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Ringe (58, 64; 106; 130, 136; 168, 170; 236, 232) die dielektrischen Ringe (26; 56, 66; 108; 128, 134; 160, f62; 286, 294) und die Elektroden aufeinander abgestimmte Temperaturausdehnungskoeffi/.ientcn aufweisen.

7. Sonde nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Haltern der Meßelektrode und der Vergleichselektrode aus einer dielektrischen Scheibe (160, 162; 228) besteht und daß die Meßelektrode und die Vergleichselektrode aus einem mittleren Metallniederschlag (164, 166; 230) auf der dielektrischen Scheibe besteht, wobei die mittleren Metallniederschläge (164, 166; 230) längs einer zentralen

Achse, die durch die Hülse verläuft, ausgerichtet angeordnet sind.

8. Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitendes, mit einem Metallniederschlag versehenes Band an der dielektrischen Scheibe angeordnet ist und den mittleren Metallniederschlag (164,166; 230) umgibt.

9. Sonde nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, da3 sie mehrere nebeneinander angeordnete Meßelektroden (Fig. 13, 14, 15) und mehrere nebeneinander angeordnete, gleichartig aufgebaute Vergleichselektroden (F i g. 13,14,15) aufweist.

10. Sonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (282) und die Vcrgleichselektroden (284) rechteckig ausgebildet und in einer Hülse (290) mit rechteckigem Querschnitt angeordnet sind.

11. Sonde nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Abschnitte der Meßelektroden und der Vcrglcächsclcktrodcn so beschaffen sind, daß sie für Material aus der Umgebung der Sonde undurchdringbar sind und dieses Material nicht absorbieren.

12. Sonde nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse hermetisc). abgedichtet ist.

13. Sonde nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Abdichten der Hülse einen Gehäusedeckel (228) umfassen, der sich über die freiliegende Fläche der Meßelektrode (230) erstreckt.

14. Sonde nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine elektrische Schaltungsanordnung (74—96; 150) zum Erregen der Meß- und Vergleichselektroden mit nahezu gleichem Wechselspannungspotential und zum Erzeugen einer niedrigen Frequenzsignalkomponenle, wobei die Signalkomponente kt.^zeichnend für die Differenz im Ansprechverhaltcn zwischen Meß- und Vergleichselektroden entsprechend den Wechselspannungspotentialen ist, und durch eine Auswerteschaltung (F i g. 10, 11, 15,16,17) zur Auswertung der Differenz.

15. Sonde nach Anspruch 14, mit einer Diodenmatrix für die gleichartige Erregung der Meß- und Vergleichselektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenmatrix in dem Raum zwischen Meßelektrode (120) und Verglcichselektrode (122) angeordnet ist.

16. Sonde nach einem der Ansprüche I bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (198) von einem dielektrischen Abstandsteil (200) umgeben ist und daß das Abstandsteil (200) von einer äußeren leitenden Schicht (196) umgeben ist.

17. Sonde nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mcßelektrode (104) im Querschnitt bogenförmig gestaltet ist.