DE2150928A1

DE2150928A1 - Kapazitiver Messkopf

Info

Publication number: DE2150928A1
Application number: DE19712150928
Authority: DE
Inventors: Guy Marechal
Original assignee: TEXCONTROL
Current assignee: TEXCONTROL
Priority date: 1970-10-15
Filing date: 1971-10-13
Publication date: 1972-05-31
Also published as: FR2110001A5; BE757542A; GB1373922A; CH551007A

Description

"Kapazitiver Messkopf"

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Menskopf zur Umwandiun ; des örtlichen liters eines Badens, einer Schnur oder einen : .ancle j :us text-ilem naterial ouer dergleichen, welcher zwischen den Platten eines Kondensators angeordnet int, dessen Kapazität hierdurch modifiziert wird, in eine elektrische Grosse.

üei der Erfindung handelt es sich also um einen Hesskopf zur Umwandlung einer anderen physikalischen (mechanischen) OröGse eines Unteriiuehun_r.;aob;jektes in eine elektrische üröiise. Bei dem hier betrachteten Fall handelt es sich um einen Kesskopi, bei dem die liich beim Durchlaufen des zu .'.nalysierenclen 'iegenstandes zwischen den Platten eines Kondensator« verändernde Kapazität desselben verwendet wird.

rlij.e heötjuedin^un^en liegen zum Lei spiel vor, wenn der ÖrtLi'.-he 'Liter einea i'adens, einer Schnur oder eines .banden in der 'xextilindustrie gemessen v/erden soll. Der zwischen den Kondensator platten angeordnete j^aden verursacht eine jjiüerun,·; der Kapazität, welche es ermöglicht, ein elektrisches ;-ji,;rml zu η malten, das im Idealfall proportional zur Masse des zwischen den Kondensaüorplatten befindlichen Fadens ist. iier l'^lfi.ü-.;rj k;nn üioh natürlich bewegen oder aucn fesustenen.

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Die folgenden .aus führung en sind auf den Pail der Untersuchung textiler Fäden beschränkt. Dieselben Überlegungen gelten aber auch für die Untersuchung beliebiger anderer Materialien, nämlich von Schnüren, bändern, Pollen und so weiter.

Messköpfe oder Aufnehmer der eingangs geschilderten Gattung sind bereits in zahlreichen Patentschriften beschrieben. Aus der Literatur sind zahlreiche Beispiele für derartige Kessköpfe beKanni. Die bekannten derate weisen jedoch bestimmte Nachteile auf.

Zunächst seien solche Aufnehmer behandelt, die ein Signal liefern können, welches zur Variation der untersuchten physikalischen Grosse jiroportiom-.l ist.

Venn auch für zahlreiche Anwendung^:--.weckt, die Kenntnis der Variation dieser iirösse ^enii^t, so ^riauben doch Geräte des Typs, wie sie Gegenstami der Erfindung sina, uicht nur die Messung der jinderun ; selbst, sondern darüberhinaus aie Peststellung des absoluten 'Jertes, auf den sich diese Änderung bezieht. Kit ander.-η «orten handelt es sich also um Geräte, die ein signal liefern, welche tatsächlich beispielsweise dem örtlichen !fiter des oei diesem .Beispiel untersuchten Badens proportional sind.

Lei anderen Geräten erfolgt die Umformung der jjiderun,, der Kapazität in eine elektriscne Grosse durch eine Modifikation oder Modulation der Frequenz eines Oaziallators.

in der nachfolgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass die Umformung der Kapazitätsänderung in eine elektrische Grosse mittels einer ürückenanordnung erfolgt.

¥enn auch die Diskussion der Vorteile des erfindungsgemässen Kesäkopxes und der Wachteile der bekannten Geräte am Beispiel der BrUckensehe1tung erläutert wird, so gelten die Darlegungen doch auch a fortiori für Geräte, die auf der Grundlage

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der Frequenzmodifikation eines Oszillators beruhen. Diese Geräte haben nämlich noch mehr als die auf der Isasis der Brückensenaltung arbeitenden Geräte Fehler, die durch die erfindungsgemüss vorgeschlagene Lösung vermieden werden sollen.

Die bekannten Geräte weisen insbesondere folgende Fehler auf:

1. Wechselseitige Beeinflussung der beiden Oszillatoren, da ihre Frequenzen nahe beieinander liegen.

2· Die Schwierigkeiten, die aktiven und reaktiven Komponenten der Impedanzänderung des Messkondensators während des Hindur chlaui'ens des Fadens zu erhalten.

3· Intermodulation im Feld, wenn man versucht, den liesskonaensator und den Kompensationskondensator im selben Bereich anzuordnen.

4. Bei Geräten mit einem einzigen Oszillator ist die Streuung infolge von Störeffekten sehr gross, beispielsweise unter dem Ehfluss von Änderungen der Luftfeuchtigkeit, der Temperatur usw.

.Bei dem in der USA-Patentschrift 2 95o 436 beschriebenen Gerät ist einer der rpinzipiellen Fehler oder Nachteile der bekannten Geräte vermieden. Dabei ist nämlich das elektrische Feld zwischen den Kondensatorplatten des Messkondensators tatsächlich homogen, wobei die symmetrische JJifferenzanordnung hinsichtlich der Streuung oder Abweichung jede Sicherheit zu bieten seheint.

Dabei ist jedoch zu bedenken, dass dabei der⁵ Bereich des Messfeldes und der Bereich des -Kompensationsfeldes voneinander getrennt sind, wodurch die Anordnung gegen iuiderungen der dielektrischen Differenzeigenschaften der beiuen Bereiche empfindlich wird, insbesondere

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dann, wenn ein FeuchtigkeitgT-adient vorliegt.

Ausserdem hat die in der USA-Patentschrift 2 95o 436 beschriebene Anordnung den gr-ossen Nachteil, dass Änderungen der Elektrodenabstützung ein Fehlersignal hervorrufen, welches in erster Ordnung von diesen Positicnsänderungen abhängt. Dies führt dazu, dass bei einer Annäherung der Messeleütrode en eine der vor ihr liegenden Elektroden .gleichzeitig die Kapazität der Kompensation vergrössert wird, Beispielsweise, wobei gieicnzeitig die Kapazität des Hesskreises verringert wird: Dies zeigt die Em findlichkeit erster Ordnung gegen eine Relativverschiebung der Elektroden, .besser wird eine Doppelanordnung verwendet, wie sie in den belgischen Patenten B 6o7 455 und B 621 946 (Verbesserungspatent) beschrieben sind. Dabei sind diese beiden Nachteile beseitigt, d.h.:

1. Das Messfeld und das Kompensationsfeld befinuen si cn im selben Bereich; uiia

2. eine unterscaiedliche Änderung des Abstandes zwischen den Elektrode- führt lediglich zu einer Änderung zweiter Ordnung des Brückenabgleichs.

Bei der dort vorgeschlagenen Lösung bleibt der Vorteil des homogenen Feldes erhalten. Um zuzeigen, welche Vorteile die erf indungsgeinä«se Lösung gegenüber dem Stand der iechnik hat, wird im folgenden von der in der belgischen Patentschrift B 6o7 455 beschriebenen Anordnung ausgegangen.

Der Erfindung liegt die Aulgabe zugrunde, einen Messkopf der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem, unter Beibehaltung der Vorteile der in der belgiscnen Patentschrift 6o7 455 beschriebenen Anordnung, die Kulistabilität, die Linearität und die Verstiirkungsstabilität zwiscxien der gemessenen G-rösse und dem elektrischen Ausgangssignal verbessert sina.

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Erfinaun^sgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Konüensatorplatten ebenso wie gegebenenfalls vorgesehene Kompensationselektroden gegen Störeinflüsse durch Gegeneleictroden geschützt sina, die auf der Aussenfläche der die Kondensatorpaltten und Elektroden abstützenden Isolatoren angeordnet sirui..

Es ist zu bemerken, dass die spezifischen Vorteile , welcne die erfindungsgemä::s vorgeschlagene Lösung bringt, a fortiori auch für andere Geräte als die in den belgischen Patentschriften B 6o7 455 und B 621 946 beschriebenen gilt, insbesondere gegenüber derjenigen Anordnung, die in der USA-Patentschrift 2 95o 436 beschrieben ist.

G-emäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesenen, dass die Elektroden und Gegenelektroden ebenso wie die ihnen zugeordneten Schaltkreise in ?orm von in Kehrlagentechnik hergestellten gedruckten Schaltungen ausgeführt sina.

Die fundamentalen Parameter, welche die Leistung eines Messkopfes bestimmen, sind:

1 ο Die Nullstabilität, d.h. die Fähigkeit des Messkopfes, ein signal - nahe null zu liefern, wenn kein zu untersuchender Stoff vorhanden ist.

2o Die Linearität, d.h. die Genauigkeit, mit der das elektrische Signal der zu untersuchenden physikalischen Grosse proportional ist, d.h. also, wie genau bei dem hier beschriebenen Fall das elektrische Signal zur Masse des unter der Minuselektrode liegenden Fadens ist.

3. Stabilität des Verstärkungsgrades, d.h. Sterilität des Verhältnisses zwischen der gemessenen Grosse und dem erhaltenen elektrischen Signal.

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Die beiden ersten Parameter deninieren die Dynamik der Messung, d.h. das Verhältnis zwischen dem grössten Wert der untersuchten G-rösse, den man mit einer bestimmten Genauigkeit messen will, und dem kleinsten Wert, der noch von Fehlern unterschieden werden soll, die auf eine mangelnde Nullstabilität zurückzuführen sind. Der erste und der dritte Parameter defj.nieren die Auflösu/jg.

Ideal ist eine Vorrichtung, die bei der kleinsten vorgegebenen, zu messenden Grosse eine maximale Hessdynamik hat, wobei der Verstärkungsgrad so gross wie möglich und ■vollständig stabil sein soll.

In einer bemerkenswerten Arbeit hat Mack die Beziehung zwischen der Veränderung der Kapazität eines Kondensators und der zwiscnen den Kondensatorplatten angeordneten Materie untersucht (Mack, 35 - Some factors affecting the change in capacity of a parallel plate condenser due to the insertion of a yarn, in "Journal of Textile Institute - Seite T 5oo, 1955; British Cotton Industry Research Association Shirley Institute Didsbury, Manchester 2o).

In dieser Arbeit ist gezeigt, dass der Verstärkungsgrad dann von der Stellung des Fadens im Kondensator unabhängig ist, wenn die Bedingung erfüllt ist, dass der Radius b des Fadens klein ist gegenüber dem Abstand T zwischen der Fadenachse und den Kondensatorplatten:

b < T

Andererseits wurde in der genannten Arbeit gezeigt, dass die Bedingung dafür, dass die Änderung der Kapazität proportional zum Volumen der im Kondensator befindlichen Materie ist (es wird angenommen, dass die dielektrische Permeabilität £ des Materials konstant ist, und keine Anisotropie aufweist), darin besteht, dass der Radius b des Fadens besonders klein ist gegenüber der Distanz D, die

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zwischen den Kondensatorplatten besteht:

b < -ι

Dabei v/ird natürlich angenommen, dass T der kleinste Abstand zu den Kondensatorplatten ist. Hieraus erhält man:

-t> ²

jiinen anschaulichen Einblick in diese Beziehungen erhält man, wenn man uieht, dass für eine Lage-Unengfindlichkeit von mehr als 1 °/a ein Verhältnis

-^- < o,15

erforderlich ist.

In gleicher Weise muss für eine Linearität von besser als

—-— < o,1
sein.

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Weitere Merkmale und Vorteile der l'Jrfir.uung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden hesciirei ι-ωΐ;·, in der ein AusführungütJeipiel der Erfinuung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben j at. jjabei zeigen:

Figur 1

das prinzipielle Schema eines kapazitiven Uesskopfes ohne Elektroden für äussere Überwachung;

Figur 1^f

die elektroden von i'igur 1 in der Ansicht;

Figur 2

das Schema eines erfindungsgemr.ssen Ilesskopfes;

Figur 3

das Schema von parasitären Kapazitäten des erfinaungsgemässen Messkopfes; und

Figur 4

ein praktisches Ausführungsbeispiel des erfindungsgenässen Messkopfes.

Eine Einführelektrode 1 ist gegenüber einer Messelektrode 2 angeordnet. Weiterhin sina Kompensatioiisfclektroaen 3! und 3" sowie Sciiutzelektroden 4'» 4" vorgesehen, wobei alle Elektroden in derselben Ebene angeordnet sind. Ein zu messender Faden 5 ist zwischen der mit einem Generator 6 für die Erzeugung einer Spannung mit der Amplitude S verbundenen Einfuhrelektrode 1 und der Messelektrode 2 angeordnet. Die gesamte Anordnung befindet sich im Inneren eines Gehäuses 7.

Bezeichnet man mit W die Hasse des Faaens unter der Messelektrode 2, so erhält man:

I = Jf X £- 1 _J ⁿ1 1o"¹¹ E

B² t + 1 6 n₂ 9

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wobei & die spezifische Masse des Materials für den Faden oder das band bedeutet, welche gerade untersucht werden_o Aus dieser Formel, ist zu entnehmen, dass der erzeugte Strom dem Quadrat der Entfernung D, welche zwischen den Elektroden liegt, umgekehrt proportional ist. Diese Entfernung ist alts ο direkt mit dem grössten llassenquerschnitt (W _r % verbunden, welcher mit einer bestimmten Genauigkeit genossen werden soll. Wenn andererseits die Relativstellung der Masse und der Armaturen nicht sehr fest fixiert werden ka. n, weil beispielsweise die zu untersuchende Masse nur sehr kleine Abmessungen hat, kann die Bedingung b< T nicht von neuem erhalten werden, sondern nur dann, wenn b < D ist.

Oie Länge 1, welcne die Messelektrode im Sinne der Masse darstellt, ist im wesentlichen durch die lint er suchung s be dingungen festgelegt. In den meisten Fällen wird gefordert, days 1 so klein wie möglich ist. L'ies hat zur Folge, dass W sehr Klein ist, wodurch wiederum proportional I verringert wird.

Die quer zum Faden gemessene Abmessung der Elektrode muss genügend gr-^ss sein, damit das Feld so gleichmässig ist, dass es als homogen angesehen v/erden kann, und zwar trotz des Vorhandenseins der Masse, selbst wenn diese sich in der Elektrode in wuerricntung verschiebt (Stabilität des Verstärkungsgrades und Linearität).

In der Praxis ist \ > 2o b_o

Wenn man mits die Messdynamik bezeichnet, ist der kleinste Strom, der gemessen werden kann, gegeben durch:

I»i„ = 3* -S fc-1 1 "1 Io

min

D² t + 1 S

Der Spannungsgenerator 6 erzeugt den Strom, der einerseits den Kondensator C durchquert, der durch die Einführelek-

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trode 1 und die Messelektrode 2 gebildet ist, una andererseits durch die Kondensatoren hindurchgeht, die durch die -^inführelektrode 1 in Verbindung mit den Kompensationselektroden 3' und 3" gebildet werden; C - ,, + C_1-^_n

Es wird sich zeigen, dass diese beiden Ströme in Anbetracht der erwähnten Beschränkungen wenigstens 2oo mal grosser sind als der maximale Messtrom. Ausserdem liefert der Spannungsgenerator 6 auch Ströme, welche die Kapazitäten 0. ,, und C₁ .„ durchlaufen, die durch die Einführelektrode 1 in Verbindung mit den Überwachungselektroden 4¹ und 4" gebildet sind. Diese Ströme sind, als allgemeine Regel, wenigstens 1omal grosser als die Mesströme.

Da ausserdem die Einführelektrode 1 am Gehäuse 7 befestigt werden muss, entsteht unausweichlich eine parasitäre Kapazität C- η zwischen dieser Elektrode und dem Gehäuse. Diese Kapazität C_1-7 kann um eine oder mehrere Grössenordnungen grosser sein als C.,,, + C_1-.,,

Der grosse, durch das Gehäuse durchgehende Strom muss sich wieder an der anderen Klemme des Generators schliessen, welche am Mittelpunkt eines differenziellen Ausgangstransformators angeschlossen sein muss.

Trotz einer guten Leitfähigkeit des Gehäuses können die Induktivität der Verbindungsleitungen und die iagenimpedanz des Gehäuses, welche beide durch grosse Ströme durchflossen sind, an den Klemmen von parasitären Kondensatoren C₇_p, der durch das Gehäuse und die Messelektrode 2 gebildet ist, und C₇^, der durch das Gehäuse und die Kompensationselektroden gebildet ist, Spannungen erzeugt werden, die die Mesströme und Kompensationsströme stören können.

Diese parasSäten oder Störströme sind natürlich in keiner Weise hinsichtlich der Zeitoder der Temperatur stabil und hängen davon ab, auf welche Weise sich die parasitären

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- 11 Ströme im Gehäuse ausbilden.

Es ist möglich, dass sogenannte "Handeffekte" auftreten. Ausserdem befinden sich die parasitären Ströme, welche durch. C, _o und C, ., hindurcngenen, in irgendeiner Phase bezüglich E. Selbst wenn der Differenzumformer 8 perfekt ist und C₁ .,ι + C, -ζ,, gleich C._p ist, bleibt die Brücke ausserhalb des Gleichgewichtes. Eventuell vorgesehene Riegelelemente zur Aufrechterhaltung des Brückenabgleichs müssen einen sehr grossen Bereich übersteigen, indem ein Wiedereinfangen möglich ist, und der Abgleich wird besonders instabil sein.

Man könnte versuchen, zur Verringerung der parasitären Kapazitäten die Dimensionen der Stützen zu vergrössern, und die Elektroden der Stützen zu verlängern, wobei ein Abstand 1) zwischen den Elektroden eingehalten wird, der so Klein wie möglich ist.

Dieser Kompromiss geht jedoch zu Lasten der Stabilität und führt häufig zu einer nicht tolerierbaren Yergrösserung des Aufnehmers, wenn die dynamische Skala sehr gross sein soll.

Die erfindungsgemäss vorgesehene Lösung besteht darin, dass die verschiedenen Elektroden (Iiesselektroden, Kompensationselektroden, Simr Schutzelektroden) nach der Vielbettechnik hergestellt werden.

Die Xesselektroden, die ivompensationselektroden und die Schutaelektroden werden von isolierenden Substrapen abgestützt, die an ihren Aussenflächen Gegenelektroden 8 tragen, die einen äusseren Schutzring oilden.

Bei einer derartigen Anordnung änaert sich das in ^'igur dargestellte Schema in das in !Figur 2 dargestellte.

Der prinzipielle Vorteil der Verwendung der Vielbettechnik

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besteht darin, dass die Mesströme vollständig von den grossen Storströmen getrennt werden können.

Wie aus dem in i'igur 3 dargestellten Schema zu ersehen ist, fliesst durch die parasitären Kapazitäten Ga^_n - gebildet durch, die äussere Überwachungs- oder Schutzelektrode und die Messelektrode 2 - und C_Q ^ - gebildet durch die

o—i

Elektrode 8 und die Kompensationselektroden 3' und 3" keinerlei Strom. Der einaige Strom, der durch ü.'as Genäuse hindurchgeht, ist ein i'eil des Stromes, der durch C. ₇ hindurchgeht. C_1-7 ist jedoch eine sehr kleine parasitäre Restkapazität, welche zwischen dem. Generator und dem Gehäuse 7 verbleibt.

Eine derartige verbesserte Anordnung erlaubt es in der Praxis, einen dynamischen Bereich zu erzeugen, der mehr als 5o mal grosser ist. Der Strom I . ist demnach von derselben Grössenordnung wie der Rauschstrom am Eingang des Verstärkers. In der Praxis lässt sich eine Genauigkeit von mehr als 1 °/o an Linearität erreichen, o,5 $ an Nullstabilität und 30.000 bis i;o.ooo an Dynamik.

Der kleinste, zu betrachtende Ungleichgewichtsstrom muss ¹ nf- ^sein*

Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine leistung

in der Art erreichen, dass dieser Strom β Io mal kleiner ist als der durch den Generator erzeugte Strom. Infolge der Verwendung eines Vielfachbettes ist es also möglich, kapazitive brücken mit Frequenzen herzustellen, die mehrere 1o MHz betragen, wobei eine Auflösung von 1o ppm erreicht wird.

Ein zweiter Vorteil ist in folgendem zu sehen: Während zur Verbesserung der Leistung des in .figur 1 gezeigten Kreises die Dimensionen des Gerätes vergrössert werden müssen, erlaubt die Verwendung eines V elfachbettes eine Verringerung

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dieser Dimensionen. i*ies^DI£Mfi$ nicht nur auf der Unterdrückung des Störphänomens, welches auf parasitäre Kapazitäten zurückzuführen ist, sondern noch auf einer Anzahl anderer Gründe , die im folgenden untersucht werden.

.Bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Schema ist die Kompensationselektrode in Zwei Zonen 5¹ bzw. 3" unterteilt. Die Messelektrode 2 liegt zwischen den beiden Flächen 3' und 3". Wenn man annimmt, dass die beiden Kompensationsflächen dieselbe Grosse 1 haben wie die Messelektrode 2, und dass die beiden ^'lachen 3¹ und 3" gleich sind, so ist ihre Summe gleich der Oberfläche der Elektrode 2.

In diesem Fall lässt sich zeigen, dass, wenn sich die Gehäuseabsxützung der Einführelektrode 1 und die G-ehäuseabstützung der Elektroden 3¹» 2 und 3" gegenseitig in festen ebenen verschieben (beispielsweise eine Rotation gemäss den beiden Achsen oder eine Translation), die Brückenelektrode nicht berührt wird. Wenn die Flächen 3' und 3" gleich sind und dieselbe Grosse oder .Breite ^ haben, welche von 1 verschieden ist, bleibt diese Eigenschaft bestehen. Dies zeigt, dass die diese Bedingungen erfüllende Anordnung in Figur 2 nicht nur in zweiter Ordnung (Translation) , sondern auch in dritter Ordnung oder ETcherung (Rotation) gegen Relativänderungen der Stellung der Elektrode unempfindlich ist. Lediglich der Verstärkungsgrad der übertragung wird in erster Ordnung oder Näherung beeinflusst.

Es ist daher xh von Bedeutung, dass die Verbindung zwischen der Elektrode 3' und der Elektrode 3" derart hergestellt werden kann, dass dabei die Symmetrieeigenschaften des Subtraktionskreises nicht verringert werden, ü-leiefczeitig muss verhindertverden, dass dabei parasitäre Einführungen oder Eingaben in dieser Verbindung auftreten.

Im Gegensatz zu dem, was bei dem Schaltschema nach Figur

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geschieht, ist die Verbindung zwischen den beiden Teilen der Korapensationselektrode (3¹ und 3") durch interne Betten oder Lagen des Vielbettkreises hergestellt.

Da der Umformer T nicht perfekt ist und die Kondensatoren C_{1 o} und C₁ .,, + C₁ ,„ nicht vollständig gleich sind, müssen Abgleichkreise hinzugefügt werden. Im allgemeinen erfolgt dieser Abgleich durch eine mechanische Vorrichtung, welche auf das i'eld von 0-131 oder CL-z» einwirkt.

Dieses Gleichgewichts- oder Abgleichsystem hat den Vorteil, dass es nur schwer in Art einer automatischen, periodischen Rückabgleichung ferngeregelt werden kann,

Wenn im Gegensatz hierzu der Enäabgleich der Brücice mittels eines Varactorkreises durchgeführt wird, kann dieser Abgleich mittels eines elektrischen Signales ferngesteuert werden.

Die zweite Kompensationsbrücke kann in vorteilhafter Weise eine zusätzliche Elektrode 15 (siehe ^igur 4) aufweisen. Es ist natürlich wichtig, dass alle der ersten und der zweiten ürückenschaltung zugeordneten Schaltkreise so dicht wie möglich auf kleinstem Raum und so nahe wie möglich an den Messelektroden konzentriert sind.

Es ist nochamals zu bemerken, dass die Verwendung der Vielbette chnik die Herstellung einer äusserst kompakten Anordnung erzeugt, bei der die Subtraktionskreise und sogar der Vorverstärker am oder in unmittelbarer Nachbarsehaft des Elektroden angeordnet werden können, v/o bei die Verbindungen in verschiedenen Niveaus von Lagen oder Schichten erfolgen. !Bezüglich der Einführe lekt ro de 1 ist noch zu bemerken, dass der Generator 6 der Schaltungsanordnung an der -"-ussenfläche der Elektrode der Mehrlagensclialtung angeordnet sein kann, ohne dass es zu einer Wechselwirkung mit der Elektrode 1, wobei C_1-7 klein gehalten wird.

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Es ist also möglich, Mikrοaufnehmer mit hoher Leistung (Langzeitleistung) herzustellen. J^in dritter Vorteil dessen, dass die Einführelektroden und Messelektroden mittels der Mehrlagentechnik (Vielbettechnik) hergestellt sind, besteht darin, dass die zwischen allen Elementen bestehenden Kapazitäten sehr leicht von einem Apparat zum anderen reproduzierbar sind, und dass ihr gegenseitiges Verhältnis in einem bestimmten Gerät konstant bleibt, und das-auch von einem Gerät zum anderen.

Beispielsweise bleiben die Oberflächen 3' und 3" gleich der Fläche von 2, selbst dann, wenn unter dem Einfluss der Bäder der Zwischenraum zwischen den -Elektroden oder platten mehr oder weniger schnell vergrössert wird.

Die fotografische Reproduzierbarkeit der oben genannten Gleichheit ist praktisch vollkommen. Hieraus folgt, dass der Einfangbereich des Abgleiche, der vorgesehen sein muss, relativ klein und reproduzierbar ist.

Der verbleibende Nicht-Abgleich hängt nicht mehr von der Stellung der einzelnen Drähte der Kabelverbindung, der Anzahl der Lötstellen, der Beschaffenheit des Kabelmaterials und übrigen Dingen ab.

Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Lösung bietet noch einen weiteren Vorteil.

Wie bereits gezeigt wurde, kann der Strom I unter Umständen in einem grossen dynamischen Bereich proportional zum W sein. Das in der Messelektrode angeordnete Material kann, wie zu bemerken ist, einen Hicht-Abgleichstrom hervorrufen, der nicht nur eine mit dem Generator quadratische Komponente hat, sondern auch eine mit diesem in Phase befindlichen Komponente (Verlustkomponente).

In bestimmten Fällen ist von Interesse, die beiden Komponenten

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getrennt zu messen (Messung des Feuchtigkeitsgehaltes). Darüberhinaus kann dadurch, dass der Umformer T stets eine leiclite innere Unsymmetrie hat, selust wenn kein Material vorhanden ist, eine in Phase mit dem üeneratorsignal liegende Spannung an den Klemmen des V.'id er Standes R auftreten (Unsymmetrie zwischen den Verlustwiderständen der beiden Spulen n₁ ).

Da der dynamische Bereich sehr gross ist, (diese Komponente führt meistens dazu, dass die Verstärkerstufen vorzeitig gesättigt werden), kann es notwendig sein, die Brücke für diese in Phase befindliche Komponente abzugleichen.

Die Trennung der oeiden Komponenten kann durch eine synchrone Demodulation erfolgen, selbst v/enn eine der Komponenten demoduliert ist. Die synchrone Demodulation gewährleistet in vorteilhafter Vfeise eine vollständige Linearität bezüglich des Nachwei«Vorganges.

Ausserdem muss es möglich sein, da die demodulierte Spannung null ist, wenn das zu demodulierende Signal Null ist, in die Schaltkreise für die WechselverStärkung einen Abschwächer anzuordnen.

Dieser Alternativaüschwächer ist wesentlich weniger kostspielig sowie wesentlich präziser und in einem grossen dynamischen bereich stabiler als ein Abschwächer im Gleichstromkreis (nach der Demodulation).

Ausserdem haben S^nchrondemodulatoren einen sehr grossen β dynamischen Bertich, sind schwierig herzustellen und erfordern einen sehr eorgfäfeltigen Abgleich der Schaltungsanordnung.

Die Verwendung einen HF-Abschwächers dient da^u, das Ausgangssignal zu "normieren". Hiermit lässt es sich im wesentlichen erreichen, den für aie Demodulation erforderlichen

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dynamischen Bereich zu verkleinern.

In vorteilhafter Weise wird der HF-Abschwächer so gewählt, dass zwischen einem Steuersignal V._x, , dem Eingangssignal u und dem Ausgangs signal r die (ileicnung:

r = k—1L·

besteht. In bestimmten Anwendungsfällen kann aie in den zu untersuenenden Stoffen voriiandene absorbierte feuchtigkeit lästig sein. Dieses Problem lässt sich in praktisch interessanter und eleganter Ueise dadurch lösen, dass mit Doppelfrequenz gepumpt wird. Auch in diesem Fall ist die Verwendung von Mehrf ac.-J.a_;:en besonders vorteilhaft, da sie gewährleistet, üa:3S die Abgleichbedingungen der brücke sowuhl uei 'riefenfrequenzen als auch bei hohen Frequenzen erhalteJi bxeibt,. Die 'lieffrequenzverluste des Epoxy-Glases sind üuüserst schwaciL und der i-iehrlagenauf bau (Vielbettaufbau) eriaiibt es, einen Schutzring vorzusehen, der die AuS₁-^Ui₁-;«leitungen gegen jeden Störeini'luss abschirmt, das li-ipedanz-Absenksystem fiir aas 'lieffrequenzsignal ηΣχηκι sich, in die Hochfrequenz brücke ein, ohne zu stören. Für den ■aufbau können zahlreiche Abweichungen vorgesehen sein: Frequenzmodirikation oei hohen Frequenzen und Amplitudenmodii'ikation bei tiefen Frequenzen. Ausserdem kann auch eine Arnpiitudenmodifiliation bei hohen Frequenzen und niedrigen Frequenzen vorgesehen sein, was zu besseren Resultaten zu rühren, denn es ist möglich, vier Komponenten vorzusehen: HF (0°), HF (9o°), NF (0°), UF (9o°)_e

In Figur 4 ist ein praictiscnes ausführungs bei spiel der Erfindung gezeigt. Um eine Vorrichtung mit automatiscner Nulleins teilung zu schaffen, welche in -^itigkeit tritt, wenn der Faden sich ausserhaib des Kondensator befindet, v/ei^ c der He'isxopf einen beweglichen 'l'eil auf, der die gesamte ijieictrodenanordnung enthält, welone den Hesskondensator bildet, der sich auf uiese Weise vom ,n-wt-UL entfernen l^^^t,

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wobei letzterer an Ort und Stelle bleibt.

Der Messkopf besteht also aus einem beweglichen Teil 9> der zwei Schalen 1o aufweist. Die Schalen 1o sind mittels eines Querriegels 12 und eines festen, die Abstützung bildenden Teiles miteinander verbunden. In Mehrlagentechnik gedruckte Schaltungen 11, welche die ülekxroden tragen, sind auf jede der Innenflächen der banalen 1o aufgekelbt. Ik Inneren jeder Sehale 1o befindet sich gedruckte Schaltkreise 15 (Subtraktor und Oszillator), welche durch feste Leitungen mit den "elektroden elektrisch verbunden sind. Die Leitungen gehen durch die Schalen hindurch una " sind von diesen isoliert.

Der Querriegel 12 dienx dazu, die Elektroden stuf geringem, ab.ii- .-.onstanten Abstand zu halten.

Der bewegliche Teil ist mittels eines flexiblen Kabels (nicht dargestellt) elektrisch, mit dem festen Teil 14 verbunden.

Der feste Teil 14 weist den Motor auf, der den Kesskopf zur ITulleiehung betätigt. Y/eiterhin enthält er einen gedruckten Schaltkreis, der einen Dioden-Abschwächer, einen Synchrondemodulator und einen Ausgangsverstärker enthält.

Der bewegliche Teil 9 ist am im abstützenden festen Teil 14 durch Gummiblöcke abgestützt, welche dazu dienen, Schwingungen der festen u-ehäuseabstützung abzuhalten.

Im folgenden wird eine iJchaltungsanurdnur.g beschrieben, die zusammen mit dem kapazitiven Mehrlagenmesskopf verwendet werden kann. Diese Schaltungsanordnung eignet sieh insbesondere zur Verwendung in Yeru±ndut%; mit dem in Figur gezeigten, nach der Mehrlairentechnik hergestellten Messkupf. Das Aus gange sign al eines Kristalloszillator^, (beispielsweise von 1o,7 IiHz), der in einer der Schalen angeordnet ist, wird auf die Einführelektrode 1 aufgegeben. Die Elek-

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troc.e 2 des Hesskondensators ist an einem Ende am Differenzumformer T angeschlossen. Die Elektroden 3' und 3" des Koei: ensationskondensators sind am anderen Ende am Differenzumformer angeschlossen. Der Mittelpunkt dieses Umformers ist an die Sciiutzelektroden ti des Iiessfeldes abgeschlossen, die wiederum riit der Masse des (teillators verbunden sind.

Das Hindurchlaufen des Fadens zwischen den Kondensatorj.latten des Messkondensators verändert dessen Kapazität und ruft ein Ungleichgewicht der Brücke hervor. Das duröh das Ungleichgewicht erzeugte Signal (an den Klemmen von R) wird durch den "Subtraktor" verstärkt, der in Form einer gedruckten Schaltung im der anderen Schale liegt. Dieses HF-Signal hat eine Amplitude, die zur linearen Masse des Fadens proportional ist.

Das Ausgangssignal des Subtraktors wird auf einen Diodenabschwächer aufgegeben, dessen Abschwächungsgrad durch das äussere Signal V„ gesteuert wird, liaon der Verstärkung wird das Signal auf einen Detektorkreis aufgegeben, sowie auf einen Synchrondemodulator, der nur auf die durch den kapazitiven Nichtabgleich des Hesskopfes zurückzuführende Komponente anspricht. Die Ausgangssjannung des S/nchrondeiaodulators wird in einem End-Leistungsverstärker am Ausgang endverstärkt.

Der Endabgleich der brücke ohne Faden erfolgt mitteis eines Varaktorxreises. Der Abgleich wird ebenso mittels eines elektrischen Signales in dem Augenblick ferngesteuert, wo vor einer Messung der Nullabgleich des Iiesskopres geregelt wird.

Der Varaktorkreis weist zusätzlicn eine Hilfs-Abgleicnelektroae (siehe Figur 4) auf.

Es ist zu bemerken, dass bei dem hier beschriebenen Messkopf die Elektroden so angeordnet ε-ind, dass sie einen

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Plattenkondensator bilden. Diese Anordnung ist "besonders geeignet, wenn es sich um die Untersuchung von aus Fasern aufgebauten Fäden handelt.

Zur Untersuchung dicker Monofilamente aus synthetischem Material mit Nicht-kreisförmigen Querschnitt können auch andere Anordnungen vorgesehen sein, bei denen die Elektroden auf zylindrischen oder prismatischen Flächen angeordnet sind. Dabei wird also der Faden dem Feld ausgesetzt, welches aus mehreren Feldern unterschiedlicher Richtung zusammengesetzt ist. Da die mehrfachen Lagen vor dem Zusammenkleben aus dünnen, flexiblen Schichten bestehen, eignen sie sich gut für die Herstellung von Elektroden mit spezieller Form, welche für derartige spezielle Fälle geeignet sind.

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Claims

Ansprüche

1Λ Kapazitiver Messkopf zur Umwandlung des örtlichen Titers ^—S eines Fadens, einer Schnur oder eines Bandes aus textilem Material oder dergleichen, welcher zwischen den Platten eines Kondensators angeordnet ist, dessen Kapazität hierdurch modifiziert wird, in eine elektrische Grosse, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorplatten ebenso wie gegebenenfalls vorgesehene Kompensationselektroden gegen Störeinxlüsse durch Gegenelektroden geschützt sind, die auf der ^-ussenfläche der die Kondensatorplatten und Elektroden abstützenden Isolatoren angeordnet sind.
2. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorbeschläge, Elektroden und Gegenelektroden (1, 2, 8) ebenso wie die ihnen zugeordneten Schaltkreise in -b'orm von in Mehrlagentechnik hergestellten gedruckten Schaltungen ausgebildet sind.
3. Messkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationselektroden (3'i 3") symmetrisch zu beiden Seiten der Messelektrode (2) angerodnet sind.
*4e Messkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daas auf derselben Fläche die die Mess-(2) und Kompensationselektroden (3¹, 3") eine Hilfs-Abgleichelektrode (11) angeordnet ist, welche die Nulleinstellung des Messkreises für die Kapazitätsänderung gewährleistet.
5. Messkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Measelektrode und die Kompensationselektroden einen Differenzumiormer (T) speisen, dessen Mittelpunkt mit den Schutzelektroden für da.s Messfeld verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablgeich dieser Anordnung durch eine Schaltungsanordnung gewährleistet ist, welche einen oder mehrere Varaktoren aufweist, die durch die Hilfs-Abgleichelektrode (15) gespeist werden.

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BAD ORIGINAL
6. Messkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oszillatorkreis und/oder ein Subtraktorkreis und/oder der Messkreis direkt an die Aussenflachen der Mehrlagenkreise durch Kabel angeschlossen sind.

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