DE2212955A1

DE2212955A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernungsmessung

Info

Publication number: DE2212955A1
Application number: DE19722212955
Authority: DE
Inventors: Katz Bernard R
Original assignee: Lummus Co
Current assignee: CB&I Technology Inc
Priority date: 1971-03-19
Filing date: 1972-03-17
Publication date: 1972-09-28
Also published as: NL7203615A; FR2136035A5

Description

12.784/5 30/ei

■ΡΑΤί.'ΝΤ ANWALTS
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THE LUMMUS COMPANY, Bloomfield, New Jersey / USA

Verfahren und Vorrichtung zur Entfernungsmessung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Entfernung zwischen einem Messobjekt, insbesondere einem scheibenförmigen Objekt, und einer Fühleinrichtung mit veränderlicher Impedanz.'Sie befasst sich weiterhin mit einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung.

Auf vielen Anwendungsgebieten besteht der Wunsch, den relativen Abstand zwischen einem Messobjekt und einem Bezugselement festzustellen, beispielsweise in der industriellen Verfahrenstechnik, bei der quantitativen Analyse, bei Schalteinrichtungen od. dgl.. Die bisher zur Bestimmung eines solchen Abstandes verwendeten Methoden beruhen im wesentlichen

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auf visueller Beobachtung. Die gravierenden Nachteile bei einem Vorgehen nach den bekannten Verfahren sind darin zu sehen, dass feine geübte Bedienungsperson oder ein geübter Techniker erforderlich sind und die bei Durchführung der bekannten Verfahren eingesetzten optischen Systeme hohe Kosten in der Anschaffung und gegebenenfalls auch der Unterhaltung verursachen. Weiterhin werden die Vorteile, die sich bei Fernablesung oder vom Ablesepunkt entfernter Angabe der Entfernung zwischen einem Objekt und einem Bezugselement ergeben, scharf durch die Bedingung direkter Ablesung beschnitten. Infolgedessen wurden auch bereits elementare elektrische Systeme zur Angabe des Abstandes zwischen einem Objekt und einem Bezugselement in Benutzung genommen. Diese Systeme ergeben jedoch nicht die Genauigkeit, die für präzise Messungen erforderlich ist; sie sind ausserdem nur zu einer Anzeige in der Lage, wenn sich das Messobjekt innerhalb eines vorbestimmten Bereiches befindet. Andere Systeme erfordern'eine kontinuierliche manuelle Justierung und eine Nachstellung der Mess-Parameter, um die gewünschten Funktionen ausführen zu können. Weitere bekannte Messysteme für die Entfernung arbeiten mit grossen Fehlern infolge der den zur Messung der Nähe des Objektes verwendeten elektrischen Kreisen innewohnenden Eigenschaften.

Ziel der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Entfernung eines Messobjektes von.

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einem Referenzelement anzugeben, bei denen die vorerwähnten Mangel nicht auftreten, d.h. insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung, die sich mit einfachen Mitteln und geringen Kosten in die Tat umsetzen lassen und trotzdem eine hohe Messgenauigkeit gewährleisten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, dass an eine Brücke mit veränderlicher Impedanz, die die auf die Entfernung des Messobjektes von ihr ansprechende Fühleinrichtung und ein Vergleichselement mit einstellbarer Impedanz aufweist, eine periodische Spannung angelegt wird, wobei sich ein von der Entfernung zwischen Messobjekt und Fühleinrichtung abhängiger elektrischer Zustand der Brücke einstellt, dass dann das Vergleichselement bis zum Abgleich der Brücke verstellt wird, und dass schliesslich die impedanz des Vergleichselementes, die eine Funktion der zu messenden Entfernung ist, gemessen wird.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird bevorzugt eine Vorrichtung eingesetzt werden, die sich auszeichnet durch eine Brücke mit einer Mehrzahl von Brückenzweigen, von denen einer die auf die Entfernung des Messobjektes mit Veränderung der Impedanz ansprechende Fühleinrichtung und ein anderer das einstellbare Vergleichselement enthält, durch eine Energiequelle zur Anlegung eines

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Erregungssignales an die Brücke, durch eine ein Steuersignal erzeugende Steuereinrichtung, welche mit der Brücke gekoppelt ist und auf die bei deren Verstimmung erzeugten Signale unter Verstellung des Vergleichselementes in Richtung auf einen Brücken-Abgleich anspricht, sowie durch eine Impedanz-Messeinrichtung, die die Impedanz des Vergleichselementes verstellbarer Impedanz misst.

Es wird also bei einem Vorgehen nach der Erfindung zuerst die Brücke abgeglichen, was bekanntlich mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen kann. Dann wird die Impedanz eines Vergleichselementes gemessen, was ebenfalls mit hoher Genauigkeit erfolgen kann. Zudem sind für den Aufbau der Brückenschaltung und sogar des einen automatischen Abgleich herbeiführenden Teiles nur verhältnismässig wenige Bauelemente erforderlich, so dass die Kosten niedrig gehalten werden können. Da sowohl der Abgleich der Brücke bei entsprechender Ausbildung automatisch erfolgt, als auch die Anzeige der Impedanz des Vergleichselementes mittels der Impedanz-Messeinrichtung, ist gewährleistet, dass auch wenig geübte Bedienungspersonen in der Lage sind, genaue Messergebnisse abzunehmen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung sowie aus den An- ·

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Sprüchen. In der Zeichnung stellen dar:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Vorrichtung;

Figur 2 ein Prinzipschaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Figuren 3A bis 3C graphische Darstellungen des Spannungsverlaufes an verschiedenen Stellen der Schaltungsanordnung gemäss Figur 2 und

Figur 4 ein schematisches Teilschaltbild einer abgewandelten Ausführungsform.

Das im Blockschaltbild der Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung weist eine Brücke 1 veränderlicher Impedanz, ein Messobjekt, z.B. eine Scheibe od. dgl., 6 und eine Energiequelle 7 auf. Die Brücke 1 umfasst Elemente 2 und 3 mit fester Impedanz, ein Vergleichselement 4 mit einstellbarer Impedanz und eine Fühleinrichtung 5 veränderlicher Impedanz. Die Brücke 1 kann die dargestellte Form annehmen, bei der die beiden festen Impedanzen 2, 3 in Reihe, geschaltet sind und zwischen sich einen gemeinsamen Verbindungspunkt 17 haben. Die festen Impedanzen 2, 3 können übliche passive Elemente, beispielsweise Widerstand, Kapazität oder Induktivität, aufweisen, die einen festen Wert .der Impedanz besitzen, der sich mit der Zeit nicht ändert. Die Erregungs- bzw. Energiequelle 7, .

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die eine Wechselspannungsquelle, vorzugsweise mit Hochfrequenz, umfassen kann, ist mit dem Verbindungspunkt 17 verbunden und liefert dort eine Speisespannung für die Brücke. Das Vergleichselement 4 mit einstellbarer Impedanz ist mit der festen Impedanz 3 bei dem Verbindungspunkt 9 in Reihe geschaltet. Das Vergleichselement 4 mit einstellbarer Impedanz ist so ausgebildet, dass seine Impedanz in Abhängigkeit von auf das Vergleichselement gegebenen Steuersignalen verändert werden kann. Es wurde mit zufriedenstellenden Resultaten ein Element verstellbarer Impedanz verwendet, welches eine Photowiderstand-Zelle aufweist, die aus Kadmiumsulfid, Kadmiumselenid od. dgl. bestehen kann und einen Widerstand besitzt, der sich mit der Intensität des auf die Zelle treffenden Lichtes ändert, sowie eine Licht emittierende Diode, die optisch mit der Photowiderstand-Zelle gekoppelt und in der Lage ist, Lichtstrahlung auszusenden, deren Intensität eine Funktion der angelegten Spannung ist.

Wie Figur 1 zeigt, ist die Fühleinrichtung 5 veränderlicher Impedanz mit dem Element 2 fester Impedanz und dem Vergleichselement 4 einstellbarer Impedanz verbunden und bildet mit diesen zusammen eine Reihenschaltung. Der gemeinsame Verbindungspunkt der festen Impedanz 2 und der Fühleinrichtung 5 ist mit 8 bezeichnet. Die Verbindungspunkte 8 und 9 stellen die Ausgangsanschlüsse der Brücke 1 veränderlicher impedanz dar. Die Fühleinrichtung 5 ist so ausgebil-

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det, dass ihre Impedanz von der Relativstellung des Me ssobjektes (Target) 6 ihr gegenüber abhängt. Es ist für den Fachmann klar, dass eine "Impedanz" im allgemeinen eine Wirkkomponente und eine Blindkomponente enthält und dass die Blindkomponente einen induktiven und/oder einen kapazitiven Blindwiderstand umfassen kann. Infolgedessen wird dann, wenn der Wirkwiderstand oder der Blindwiderstand der Fühleinrichtung 5 sich ändert, auch deren Impedanz sich ändern. Es ist leicht einzusehen, dass beispielsweise dann, wenn die Fühleinrichtung 5 eine magnetisierbar Induktionswicklung umfasst, die Induktivität dieser Wicklung und infolgedessen auch die Impedanz eine Funktion der Entfernung zwischen der Wicklung und einem elektrisch leitenden Material ist. Wenn nun das Messobjekt 6 eine Fläche aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise ferromagnetischem Werkstoff, aufweist, so hängt die Induktivität der Fühleinrichtung 5 veränderlicher Impedanz von der Entfernung zwisehen der magnetisierbaren Induktionswicklung.und dem ferromagnetischen Werkstoff ab. In ähnlicher Weise verändert sich, falls die magnetisierbare Induktionsspule eine Wirbelstromsonde aufweist, deren Wirkwiderstandkomponente als Funktion der Entfernung zwischen der Sonde und dem nicht-ferromagnetischen Werkstoff. In ähnlicher Weise ist dann, wenn die Fühleinrichtung 5 veränderlicher Impedanz eine erste Platte eines aus parallelen Platten bestehenden Kondensators od. dgl. aufweist, die Kapazität des Plattenkondensators propor-

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tional der Entfernung zwischen den beiden Kondensatorplatten. Infolgedessen ist es möglich, als Fühleinrichtung 5 ein Stück eines elektrisch leitenden Werkstoffes mit rechteckiger Ausbildung zu verwenden, das mit dem Punkt 8 verbunden ist. Das Messobjekt 6 kann dann die zweite Platte des Plattenkondensators bilden und zu diesem Zweck eine Oberfläche aus elektrisch leitendem Werkstoff aufweisen, die parallel zu und in Abstand von der die Fühleinrichtung 5 bildenden Platte angeordnet sowie mit dem Vergleichselement 4 einstellbarer Impedanz verbunden ist. Es ist dann die Impedanz des Plattenkondensators, der aus der Fühleinrichtung 5 (erste Platte) und dem Messobjekt 6 (zweite Platte) zusammengesetzt ist, von dem Abstand zwischen der Fühleinrichtung 5 und dem Messobjekt 6 abhängig.

Der an die Verbindungspunkte 8 und 9 angeschlossene Stromkreis kann ein bekanntes Spitzenwert-Voltmeter aufweisen, das in der Lage ist, die Spannungsdifferenz zwischen den positiven und negativen Spitzenwerten eines Spannungspotentials zwischen den Punkten 8 und 9 zu messen und die Messergebnisse auf das Vergleichselement 4 einstellbarer Impedanz zu geben. Dementsprechend ist die Spitzenwert-Messeinrichtung 10 an den Punkt 8 angeschlossen, um eine Darstellung des negativen (oder positiven) Spitzenwertes des Spannungspotentials am Punkt 8 zu geben. Eine Spitzenwert-Messeinrichtung 11 ist an den Punkt 9 angeschlossen und gibt eine Darstellung des po-r

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sitiven (oder negativen) Spitzenwertes der Spannung an dem

den
Punkt 9. Bei/Spitzenwert-Messeinrichtungen 10 und 11 kann es sich um bekannte Einrichtungen handeln, wie sie nachfolgend noch im einzelnen beschrieben werden sollen. Ein vergleichendes Glied (Komparator) 12 ist mit den Spitzenwert-Messeinrichtungen 10 bzw. 11 verbunden und zeigt die Differenz der von den Spitzenwert-Messeinrichtungen ermittelten Werte an. Der Komparator 12 kann ein üblicher Differentialverstärker od. dgl. sein. Der Ausgang des Komparators 12 ist mit einem Steuerelement 13 verbunden, welches ein Steuersignal erzeugt, von dem die Impedanz des einstellbaren Vergleichselementes 4 abhängt. Infolgedessen kann das Steuerelement 13 einen Verstärker mit vernachlässigbarer Spannungsabweichung bzw. Abweichungs-Spannung umfassen. Das von dem Steuerelement 13 auf das einstellbare Vergleichselement 4 gegebene Steuersignal ist also proportional der Differenz der Beträge der an den Punkten 8 bzw. 9 auftretenden Spannungspotentiale.

Eine Impedanz-Messeinrichtung 14 ist an das einstellbare Vergleichselement 4 angeschlossen und kann von Jeder bekannten Einrichtung gebildet werden, beispielsweise von einem Ohm-Meter, einer Kelvin-Brücke od. dgl.. Wenn das einstellbare Vergleichselement 4 eine Photowiderstand-Zelle in optischer Verbindung mit einer Licht emittierenden Diode aufweist, so wird die Impedanz-Messeinrichtung 14 zweckmässig so ausgebildet, dass sie den Widerstand der Photowiderstand-Zelle

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oder - umgekehrt - deren Leitfähigkeit misst.

Nachfolgend soll nun die Arbeitsweise der Anordnung gemäss dem Blockschaltbild der Figur 1 beschrieben werden, wobei bekanntlich davon auszugehen ist, dass das Produkt der Impedanzen Jeweils gegenüberliegender Arme eines abgeglichenen Brückenkreises gleich ist. Wird nun angenommen, dass die Impedanz des Elementes 2 mit fester Impedanz &₂, die Impedanz des festen Elementes 3 &a» die Impedanz des einstellbaren Vergleichselementes 4 gleich Sy und die Impedanz der Fühleinrichtung veränderlicher Impedanz gleich Sc ist, so erhält man

und hieraus

wenn weiter die Impedanz des Elementes 2 gleich der des Elementes 3 mit fester Impedanz ist, so folgt

wenn sich die Brücke 1 veränderlicher Impedanz in einem

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elektrischen Gleichgewichtszustand "befindet.

Aufgrund der vorstehenden Erklärung ist verständlich, dass die Impedanz der Fühleinrichtung 5 von deren Nähe zum Messobjekt 6 abhängt. Deshalb fühlt die Fühleinrichtung 5 die Entfernung bzw. Nähe des Messobjektes 6 ab, was dazu führt, dass sich die Impedanz der Fühleinrichtung 5 entsprechend ändert. Es sei zuerst angenommen, dass die Fühleinrichtung 5 veränderlicher Impedanz von einer magnetisierbaren Induktionswicklung gebildet ist und das Messobjekt 6 elektrisch leitendes Material aufweist bzw. von elektrisch leitendem Material gebildet ist. Wird die Fühleinrichtung 5 durch Verbindung der Energiequelle 7 mit dem Punkt 17 erregt, so wird durch die Fühleinrichtung 5 ein Magnetfeld erzeugt und es werden Wirbelströme in dem Messobjekt induziert. Die Stärke der induzierten Wirbelströme ist eine Funktion der Entfernung zwischen der Fühleinrichtung 5 und dem Messobjekt 6. Die Wirbelströme erzeugen ein Magnetfeld, das dem von der Fühleinrichtung erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist, was zu einer Schwächung des effektiven Magnetfeldes und zu einer Veränderung der Impedanz der Fühleinrichtung 5 in entsprechender Weise führt. Wenn jedoch das Messobjekt 6 aus nichtferromagnetischem Werkstoff besteht, so ist die Veränderung in der Impedanz der Fühleinrichtung vorwiegend induktiv.

Ändert sich die Impedanz der Fühleinrichtung 5, so wird be-

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kanntlich das elektrische Gleichgewicht in der Brücke 1 veränderlicher Impedanz gestört. In Anpassung an die übliche Terminologie kann die Impedanz der Fühleinrichtimg 5 als unbekannte Impedanz angesehen und die Impedanz des verstellbaren Vergleichselementes 4 verändert werden, um wieder ein elektrisches Gleichgewicht, d.h. den Brückenabgleich, zu erzielen. Sobald die Brücke abgeglichen ist, d.h. so-bald gilt ίδν = ö^ι ist die Impedanz der Fühleinrichtung 5 veränderlicher Impedanz gleich der Impedanz des einstellbaren Vergleichselementes 4. Infolgedessen kann, falls die Impedanz des Vergleichselementes 4 bekannt oder feststellbar ist, der Zwischenraum zwischen der Fühleinrichtung 5 und dem Messobjekt 6, von dem die Impedanz der Fühleinrichtung 5 abx hängt, bestimmt werden. Der Brückenabgleich wird bei dem in Figur 1 im Blockschaltbild gezeigten Gerät ohne Mitwirkung eines Technikers oder einer Bedienungsperson in der nachfolgend zu beschreibenden Weise selbsttätig erreicht.

Die veränderte Impedanz der Fühleinrichtung 5, die durch deren Abstand bzw. Nähe von dem Messob.iekt hervorgerufen ist, führt dazu, dass zwischen den Punkten 8 und 9, die als Ausgangsanschlüsse der Brücke 1 angesehen werden können, ein Spannungspotential auftritt. Wenn die Energiequelle 7 an dem Punkt 17, der als Eingangsanschluss der Brücke 1 anzusehen ist, ein Wechselstromsignal anlegt, so wird auch die am Punkt 8 auftretende Spannung, die Spannung am Punkt· 9

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und die Spannung zwischen den Punkten 8 und 9 eine.Wechselspannung sein. Die Spitzenwert-Messeinrichtung 10 'spricht auf negative (positive) Spitzenamplitudön,die man von dem am Punkt 8 auftretenden Spannungspotential erhält, an und gibt einen diese Spitzenamplituden'darstellenden Wert ab. Entsprechend spricht die Spitzenwert-Messeinrichtung 11 auf positive (negative) Spitzenamplituden der am. Punkt 9 auftretenden Spannung an und gibt einen entsprechenden Messwert ab. Es sei darauf hingewiesen, dass die von den Spitzenwert-Messeinrichtungen 10, 11 erzeugten Signale Wechselspannungen, Gleichspannungen, Phasenverschiebungen oder andere mittels des Komparators verarbeitbare Signale sein können. Wenn es sich bei dem Komparator 12 um einen üblichen Differentialverstärker handelt, so wird ein Ausgangssignal erzeugt, welches proportional der Differenz der Beträge der von den Spitzenwert-Messeinrichtungen 10 und 11 erzeugten Spannungen ist. Handelt es sich bei dem Komparator 12 um einen üblichen Phasen-Komparator, so wird er ein Ausgangssignal abgeben, das proportional der Phasendifferenz der von den Spitzenwert-Messeinrichtungen 10, 11 abgegebenen Signale ist. Das von dem Komparator 12 erzeugte Ausgangssignal stellt eine direkte Angabe für den Verstimmungszustand der Brückenschaltung 1 dar. Dor Betrag bzw. die Grösse des Ausgangssignales ist proportional der Veränderung des Abstandes zwischen der Fühleinrichtung 5 und dem Messobjekt 6, und die Phase oder Polarität des Ausgangssignales gibt ■

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die Richtung der Veränderung an. Das Steuersignal, welches von der Steuereinrichtung 13 aufgrund des an sie gelangenden Ausgangsignales des Komparators 12 erzeugt wird, kann ein Vielfaches dieses Ausgangssignales sein und verändert sich bevorzugt langsam hinsichtlich seiner Grosse bzw. seines Betrages. Die Impedanz des Vergleichselementes 4 wird abhängig von dem Steuersignal so verstellt, dass die Brücke 1 wieder in den Gleichgewichtszustand gelangt. Es ist also davon auszugehen, dass der Komparator 12, die Steuereinrichtung 13 und das einstellbare Vergleichselement 4 in ihrer Kombination als Gegenkopplungssystem arbeiten mit dem Ziel, den elektrischen Gleichgewichtszustand der Brücke 1 wieder herzustellen. Die Impedanz des Vergleichselementes 4 hat infolgedessen das Bestreben, der Impedanz der Fühleinrichtung 5 zu entsprechen,d.h. 2^ = S,-. Ist dieser Zustand erreicht, so ist das am Punkt 8 auftretende Spannungspotential gleich dem am Punkt 9. Das von der Spitzenwert-Messeinrichtung 10 erzeugte Ausgangssignal ist gleich dem Ausgangssignal der Spitzenwert-Messeinrichtung 11 und das von dem Komparator erzeugte Ausgangssignal wird auf den Wert Null verkleinert. Aufgrund dieses Umstandes gelangt von der Steuereinrichtung 13 kein Steuersignal auf das einstellbare Vergleichselement 4, so dass die Impedanz des letzteren unverändert bleibt. Es ist dann die Impedanz des einstellbaren Vergleichselementes 4 gleich der Impedanz der Fühleinrichtung 5 mit veränderliche Impedanz, weshalb eine Messung der

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Impedanz des Elementes 4 einer Messung der Impedanz der Fühleinrichtung 5 gleichwertig ist. Da die Impedanz der Fühleinrichtung 5 von dem Abstand zwischen dieser und dem Messobjekt 6 abhängt, kann die Impedanz-Messeinrichtung 14 in Entfernungseinheiten geeicht werden, um so eine direkte Anzeige des Abstandes zwischen dem Messobjekt 6 und der Fühleinrichtung 5 zu erzielen.

Es ist einleuchtend, dass das von der Steuereinrichtung 13 erzeugte Steuersignal zur Modulation der Intensität des von einer Licht emittierenden Diode auf eine Photowiderstand-Zelle gelangenden Lichtes geeignet ist.

Obwohl vorstehend die Arbeitsweise des Gerätes der Figur 1 für eine Ausführungsform beschrieben wurde, bei der die Fühleinrichtung 5 eine magnetisierbar Induktionswicklung aufweist, ist es für den Fachmann klar, dass eine entsprechende Beschreibung auch für eine Ausführungsform gilt, bei der die Fühleinrichtung 5 eine erste Platte eines parallele Platten aufweisenden Kondensators umfasst. Bekanntlich ist die Impedanz eines Kondensators proportional seiner Kapazität. Die Kapazität eines Plattenkondensators kann dargestellt werden

C= K ,

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wobei C die Kapazität des Plattenkondensators, K die Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen den parallelen Platten, A die Fläche jeder parallelen Platte und D der Abstand zwischen den parallelen Platten sind. Wenn nun der Abstand zwischen der Fühleinrichtung 5 und dem Messobjekt 6 geändert wird, so wird sich auch die Impedanz des von der Fühleinrichtung 5 und dem Messobjekt gebildeten Kondensators entsprechend ändern, wodurch die Brücke 1 verstimmt wird. Die Impedanz des Vergleichselementes 4 wird in der oben beschriebenen Weise geändert, um so die verstimmte Brücke 1 wieder abzustimmen, d.h. das elektrische Gleichgewicht herzustellen. Infolgedessen ist nun die Impedanz des einstellbaren Verglelchselementes 4 gleich der Impedanz des von der Fühleinrichtung 5 und dem Messobjekt gebildeten Plattenkondensators, wobei die Impedanz des letzteren proportional dem Plattenabstand ist. Infolgedessen kann die Impedanz-Messeinrichtung 14, die die Impedanz des Vergleichselementes 4 ist, in' Einheiten geeicht werden, die der Entfernung zwischen der Fühleinrichtung 5 und dem Messobjekt 6 entsprechen. Es kann so direkt der Abstand zwischen diesen abgelesen werden.

Die Vorzüge eines derartigen Vorgehens sind leicht einzusehen. Die Fühleinrichtung 5 mit veränderlicher Impedanz kann an einer vom Rest der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung entfernten Stelle angebracht werden, wodurch genaue Messun-

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gen an Stellen möglich werden, die Ms jetzt unzugänglich waren. Es können so Veränderungen bzw. Verschiebungen von Variablen in industriellen Vorgängen überprüft werden. Die Art der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung gestattet auch ihren portablen Einsatz, beispielsweise die Bestimmung der relativen Nähe metallischer Objekte.

Ein mehr ins einzelene gehendes Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Diese Ausführungsform umfasst Widerstände 102 und 103, einstellbare Widerstände 104, eine veränderliche Induktivität 105, ein Messobjekt 106, Gleichrichter 111 und 114, Kondensatoren 112 und 115 sowie einen Verstärker 118. Die Widerstände 102 und 103 können jeweils von einem handelsüblichen Widerstand hoher Toleranz, beispielsweise einem Präzisions-Metall-Schichtwiderstand gebildet sein." Ein Ende jedes Widerstandes 102 und 103 ist gemeinsam mit einem ersten Eingangsanschluss -127 verbunden. Das andere Ende der Widerstände und 103 ist jeweils mit einem Ausgangsanschluss 109 bzw.110 verbunden. Ein zweiter Eingangsanschluss 128 ist sowohl mit dem einstellbaren Widerstand 104 als auch mit der veränderlichen Induktivität 105 verbunden. Der einstellbare Widerstand 104 ist in der Zeichnung durch das übliche Sinnbild für einen veränderlichen Widerstand dargestellt. Es ist jedoch selbstverständlich, dass der einstellbare Widerstand bzw. das einstellbare Widerstandselement 104 eine übliche

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Photowiderstand-Zelle aufweisen kann, die optisch mit einer Licht emittierenden Diode verbunden ist. Der einstellbare Widerstand 104 ist mit dem Ausgangsanschluss 109 über einen in Reihe liegenden, Gleichspannungs-Blockkondensator 108 verbunden. Das Element 105 veränderlicher Induktivität kann eine induktive Probe bzw. Sonde oder eine magnetisierbare Induktionswicklung umfassen, die durch eine eine induktive Komponente und eine Widerstandskomponente aufweisende Impedanz charakterisiert ist. Die veränderliche Induktivität

105 ist in der Lage, ein magnetisches Feld zu erzeugen, wenn sie mit einem Erregerstrom versorgt wird. Infolgedessen entspricht die veränderliche Induktivität 105 der Fühleinrichtung 5 mit veränderlicher Impedanz der Figur 1. Es int also die Induktivität der veränderlichen Induktion 105 von deren Abstand zu ferromagnetischem Material abhängig, während der Widerstand der veränderlichen Induktion 105 von dessen Nähe zu nicht ferro-magnetischem Werkstoff abhängt. Das Hessobjekt

106 kann eine Oberfläche aus ferromagnetischem oder nicht ferromagnetischem Material besitzen. Die Induktivität oder der Widerstand der veränderlichen Induktionsspule 105 ist proportional dem Zwischenraum zwischen dem Messobjekt 106 und dem Induktor 105. Ein Koppelkondensator 105a ist in Figur 2 gestrichelt parallel zu der veränderlichen Induktionsspule 105 dargestellt. Der Koppelkondensator 105a beeinhaltet die kapazitive Kopplung, die der den veränderlichen Induktor 105 bildenden Spule innewohnt. Obwohl er an sich ver-

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nachlässigbar ist, handelt es sich bei dem Kondensator 105a um ein Element, welches doch zur Impedanz der veränderlichen Induktionsspule 105 beiträgt und das Bestreben hat, deren Resonanzfrequenz festzulegen. Der veränderliche Induktor ist mit dem Ausgangsanschluss 110 verbunden, wie dies in Figur 2 gezeigt ist. Es ist also ersichtlich, dass ein Brückenkreis veränderlicher Impedanz aufgebaut ist, der einen ersten Zweig zwischen dem Eingangsanschluss 127 und dem Ausgangsanschluss 110 mit dem Festwiderstand 103, einen zweiten Zweig zwischen dem Eingangsanschluss 127 und dem Ausgangsanchluss 109 mit dem Festwiderstand 102, einen dritten Zweig zwischen dem Eingangsanschluss 128 und dem Ausgangsanschluss 110 mit dem veränderlichen Induktor 105 und einen vierten Zweig zwischen dem Eingangsanschluss 128 und dem Ausgangsanschluss 109 mit dem einstellbaren Widerstand 104 aufweist. Die so gebildete Brücke veränderlicher Impedanz kann dadurch erregt werden, dass die Eingangsanschlüsse 127 und 128 mit einer Hoch- bzw. Funkfrequenzquelle, beispielsweise dem Oszillator 107, verbunden werden.

Übliche Impedanz-Brückenkreise verwenden Messeinrichtungen zum Abfühlen eines nicht abgestimmten Potentialzustandes der Brücke. Die Messeinrichtungen bzw. Detektoren gemäss der Erfindung fühlen die Verstimmung der Brücke mit veränderlicher Impedanz ab und haben das Bestreben, die Brücke wieder in einen abgeglichenen Gleichgewichtszustand zu über-

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führen. Eine Messeinrichtung für einen positiven Spitzenwert ist an den Ausgangsanschluss 109 angeschlossen und umfasst einen Halbwellen-Gleichrichter 111, der über einen Tiefpass-Filterkondensator 112 geshuntet ist. Der Halbwellen-Gleichrichter 111 kann eine Halbleiterdiode sein, deren Anode mit dem Ausgangsanschluss 109 und deren Kathode mit dem Tiefpass-Filterkondensator 112 verbunden ist. Der Tiefpass-Filterkondensator bzw. di© Tiefpass-Filterkapazität 112 ist ein Bypass-Kondensator, der einen Niederfrequenz-Erdpfad für Hochfrequenzströme schafft. Eine Messeinrichtung für negative Spitzenwerte ist mit dem Ausgangsanschluss 110 verbunden und weist einen Halbwellen-Gleichrichter auf, der über die Tiefpass-Filterkapazität 115 geerdet ist. Der Halbwellen-Gleichrichter 114 kann von einer mit der Diode 111 gepaarten Halbleiterdiode gebildet sein, deren Kathode mit dem Ausgangsanschluss 110 und deren Anode mit dem Tiefpass-Filterkondensator 115 verbunden ist, wobei letzterer'als Bypass-Kapazität wirkt. Der Widerstand 113 ist mit seinem einen Ende an die Verbindungsstelle zwischen Halbwellen-Gleichrichter 111 und Kapazität 112 angeschlossen, während das eine Ende des Widerstandes 116 an den Verbindungspunkt des Halbwellen-Gleichrichters 114 und der Kapazität 115 gelegt ist. Die anderen beiden Enden bzw. Anschlüsse der Widerstände 113 und 116 sind bei 117 miteinander verbunden.

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Als Verstärker 118 kann ein hochverstärkender Arbeitsverstärker mit hoher Eingangsimpedanz dienen. Es ist vorzuziehen, für den Verstärker 118 eine Verschiebespannung Null vorzusehen und demgemäss ist der Verstärker 118 mit einem Rückkopplungskondensator bzw. einer Rückkopplungskapazität 119 zur Bildung eines integrierenden Kreises versehen. Wie leicht einzusehen ist, besteht der Eingangswiderstand für den Verstärker 118 aus der parallelen Kombination der Widerstände 113 und 116, da die Widerstände 113 und 116 mit Erde über die Hochfrequenz-Bypass-Kapazitäten 112 bzw. 115 verbunden sind. Wenn nun der Widerstand 113 einen Widerstandswert gleich R₁ ^₁ der Widerstand 116 einen Wert R₁₁₆ hat, dann ist der Eingangswiderstand des Verstärkers 118 gleich

R₁₁₆) / (R₁₁₃ +

Die Verstärkung des integrierenden, aus dem Verstärker 118 und der Rückkopplungskpazität 119 bestehenden integrierenden Kreises ist

(R₁₁₃ + R₁₁₆) / R₁₁₃ R₁₁₆ C₁₁Cj*

wobei C₁₁Q die Kapazität des Rückkopplungskondensators 119 ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 118 wird auf den verstellbaren Widerstand 114 gegeben und ist in der Lage, .

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die Spannung zu liefern, von der der Widerstand des einstellbaren Widerstandselementes 104, d.h. des Vergleichselementes abhängt.

Verständlicherweise führt das Vorhandensein der Spitzenwert-Messeinrichtung zu unerwünschten Gleichstromsignalen, die einen unvorherbestimmbaren und schädlichen Einfluss auf das einstellbare Vergleichselement 104 und eine Gleichstrom-Widerstands-Messeinrichtung 123, die mit dem einstellbaren Widerstand 104 gekoppelt ist, haben können. Es ist daher eine Hochfrequenz-Drosselspule 120 mit dem Ausgangsanschluss 109 zur Erzeugung eines Erdungsweges mit niederer Impedanz für die Gleichstromsignale, die an dem Ausgangsanschluss auftreten könnten, vorgesehen. Diese Drosselspule bildet jedoch einen Weg hoher Impedanz zur Erde für die Hochfrequenzsignale, die an dem Ausgangsanschluss 109 auftreten. Der Gleichstrom-Blockkondensator 108 ist so ausgebildet, dass er zusätzlich einen Einfluss der am Ausgangsanschluss 109 vorhandenen Gleichstromsignale auf die Gleichstrom-Widerstands-Messeinrichtung 123 verhindert. Der veränderliche Induktor. 105 bildet eine Ableitungsstrecke niederer Impedanz für die Gleichstromsignale, die am Ausgangsanschluss 110 auftreten können. Infolgedessen ist der Anschluss 128 geerdet.

Es wird bevorzugt, den Gleichstrom-Widerstand des einstell-.

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baren Widerstands 104 zu messen, um die !Entfernung des Messobjektes 106 von der veränderlichen Induktivität bzw. Fühleinrichtung 105 festzustellen, da der Gleichstrom-Widerstand die Grosse ist, die entsprechend dem Ausgangssignal des Verstärkers 118 eingestellt wird. Die Gleichstrom-Widerstands-Messeinrichtung 123 ist mit dem verstellbaren Widerstand 104 über einen üblichen Hochfrequenz-Auskopplungskreis verbunden, der aus einer Hochfrequenz-Drosselspule 121 besteht, die durch einen Bypass-Kondensator 122 geerdet ist. Infolgedessen werden die Hochfrequenzsignale, die von der Energiequelle 107 erzeugt werden und über die Brücke mit veränderlicher Impedanz fliessen, von dem Gleichstrom-Widerstands-Messgerät 123 durch die hohe Impedanz, die die Hochfrequenz-Drosselspule 121 und der Bypass-Kondensator 122 darstellen, abgehalten. Die Gleichstrom-Widerstands-Messeinrichtung 123 entspricht der Impedanz-Messeinrichtung 14 der Figur 1 und kann von einem üblichen Gleichstrom-Widerstands-Messgerät, wie es allgemein'bekannt ist, gebildet sein, wodurch eine genaue Messung des Gleichstrom-Widerstandes des einstellbaren Widerstandselementes 104 erhalten werden kann.

Zur Erleichterung der Erklärung der Arbeitsweise der Anordnung der Figur 2 wird nun Bezug auf die Figuren 3A bis 3C genommen, die die Wellenform der Signale darstellen, welche an verschiedenen Stellen des Gerätes der Figur 2 erzeugt werden können. Zum Zwecke der nachfolgenden Erläuterung sei

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angenommen, dass der Widerstandswert des Elementes 102 gleich dem Widerstand des Widerstandselementes 103 ist. Unter dieser Voraussetzung ergibt sich aufgrund der bekannten Impedanz-Brückengleichungen für eine abgeglichene Impedanz-Brücke, dass die Impedanz des Zweiges zwischen Eingangsanschluss 128 und Ausgangsanschluss 110 gleich der Impedanz des Brückenzweiges zwischen dem Eingangsanschluss 128 und dem Ausgangsanschluss 109 ist. Der Kapazitätswert des Gleichstrom-Blockkondensators 108 kann so gewählt werden, dass dieser Kondensator einen Pfad sehr geringer Impedanz für die in dem Zweig zwischen dem Eingangsanchluss und dem Ausgangsanschluss 109 vorhandenen Hochfrequenzsignale bildet. Infolgedessen ist die effektive Impedanz des letzgenannten Zweiges durch den Widerstand des einstellbaren Bauelementes 104 bestimmt. Die effektive Impedanz des Zweiges zwischen dem Eingangsanschluss 128 und dem Ausgangsanschluss 110 ist gleich dem induktiven Blindwiderstand der veränderlichen Induktivität 105 in Kombination mit dem Reihen-widerstand der Wicklungen der magnetisierbaren Induktionsspule oder der Wirbelstromsonde, von denen die veränderliche Induktivität 105 gebildet sein kann, und der innewohnenden Kopplungskapazität 105a. Obwohl es für ein befriedigendes Arbeiten des Erfindungsgegenstandes nicht erforderlich ist, kann die Frequenz des Oszillators 107 und die Selbstinduktivität des veränderlichen Induktors 105 besonders angepasst sein, wobei die Erregungsfrequenz, die den

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Eingangsanschlüssen 127 und 128 zugeführt wird, die Resonanzfrequenz der veränderlichen Induktivität 105 ist. Bei der Resonanzfrequenz ist die Impedanz des mit dem Eingangsanschluss 128 und Ausgangsanschluss 110 verbundenen Zweiges tatsächlich rein ohmsch. Infolgedessen ist dann, wenn sich die Brücke veränderlicher Impedanz im abgeglichenen Zustand befindet und das Messobjekt 106 sich nicht in der Nähe des veränderlichen Induktors 105 befindet, also dessen Impedanz nicht beeinflussen kann, der Widerstand des einstellbaren Widerstandselementes 104, der von der Gleichstrom-Widerstands-Messeinrichtung 123 gemessen wird, gleich der Impedanz der veränderlichen Induktivität 105.

Es sei nun auf Figur 3A Bezug genommen, um den Spannungsverlauf in der Brückenschaltung veränderlichen Impedanz zu diesem Zeitpunkt zu beschreiben. Da sich die Brücke im Gleichgewichtszustand befindet und die effektive Impedanz der veränderlichen Induktivität 105 gleich dem Widerstand des einstellbaren Widerstandselementes 104 ist, ist der Spannungsverlauf 110' am Ausgangsanschluss 110 gleich und in Phase zu dem Spannungsverlauf 109' am Ausgang 109. Der Halbwellen-Gleichrichter 111 führt den positiven Teil, der Wechsel- Spannung 109' dem Kondensator 112 zu und ermöglicht es, dass sich der Kondensator 112 auf den positiven Spitzenwert der Spannung 109* auflädt. Der im Kondensator 112 vorhandene Leckwiderstand führt zu einem geringen Leck-

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strom, so dass die Spannung am Kondensator 112 entsprechend der Kurve 112« abnimmt bis die Spannung gemäss Kurve 109' einen Wert annimmt, der dem augenblicklichen Wert der Spannung gemäss Kurve 112' gleich ist. Es sei darauf hingewiesen, dass die Filterung der Spannung gemäss Kurve 109¹ durch den Kondensator 112 nach der Gleichrichtung durch den Halbwellen-Gleichrichter 111 dazu führt, dass dem Widerstand 113 ein positives Gleichstrom-Signal mit minimaler Welligkeit zugeführt wird. Der Halbwellen-Gleichrichter 114 führt den negativen Teil der Spannung gemäss Kurve 110* dem Kondensator 115 zu, der sich auf den negativen Spitzenwert der Kurve 110' auflädt. Der Kondensator 115 ist dem Kondensator 112 ähnlich, weshalb wegen des vorhandenen Leckwiderstandes d". Spannung an dem Kondensator entsprechend Kurve 115' fällt. Wenn der augenblickliche Wert der Spannung gemäss Kurve 110¹ gleich dem augenblicklichen Wert der Spannung nach Kurve 115' ist, lädt sich der Kondensator 115 wieder auf den negativen Spitzenwert der Kurve 110» auf. Der Kondensator 115, der als Filterkondensator arbeitet, versorgt den Widerstand 116 mit einem negativen Gleichspannungssignal, welches eine minimale Welligkeit besitzt.

Die Spannungen gemäss den Kurven 112· und 115' werden durch die Widerstände 113 und 116 algebraisch kombiniert, wobei die Summe der Spannungen 112« und 115' durch die Kurve 117' im Punkt 117 dargestellt werden kann. Wie ersichtlich ist,

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ist bei Potential-Gleichgewicht in dem Brückenkreis die Kurve 112* im wesentlichen gleich und von gegengesetztem Vorzeichen wie die Kurve 115*» wodurch sich für die Kurve 117' im wesentlichen der Wert Null ergibt. Der integrierende Kreis aus dem Verstärker 118 und dem Rückkopplungskondensator 119 integriert das Signal 117' und gibt ein sich langsam veränderndes Signal auf den einstellbaren Widerstand 104. Infolgedessen wird der spannungsabhängige Widerstand des einstellbaren Widerstandselementes 104 nicht verstellt.

Es sei nun angenommen, dass das Messobjekt 106 sich in der Kachbarschaft der veränderlichen Induktivität 105, und zwar in einem unbekannten Abstand von dieser, befindet. Weist das Messobjekt 106 ferromagnetisches Material auf, so wird die Induktivitätskomponente des veränderlichen Induktors 105 entsprechend dem Zwischenraiam zwischen dem veränderlichen Induktor 105 und dem Messobjekt 106 geändert. In ähnlicher Weise ändert sich, falls das Messobjekt 106 nicht-ferromagnetisches Material aufweist, die Widerstandskomponente des veränderlichen Induktors 105 in Übereinstimmung mit dem Zwischenraum. Demzufolge wird sich auch die Impedanz des Brückenzweiges zwischen dem Eingangsanschluss 128 und dem Ausgangsanschluss 110 ändern. Der vorstehend angenommene Gleichgewichtszustand des Brückenkreises mit veränderlicher Impedanz wird aufgrund der Veränderung der Impedanz des veränderlichen Induktors 105 gestört und es ergibt sich gemäss Figur 3B am Ausgangs*·

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anschluss 110 eine Spannung gemäss der Kurve 110', deren Amplitude grosser als die Amplitude der Spannung gemäss Kurve 109' am Ausgangsanschluss 109 ist. Zusätzlich wird die Phasenbeziehung zwischen den Kurven 110· und 109* verändert. Der maximale Wert der Spannung gemäss Kurve 109¹ wird von der Spitzenwert-Messeinrichtung, die mit dem Ausgangsanschluss 109 verbunden ist, ermittelt und der Kondensator 112 erzeugt eine entsprechende Spannungskurve 112'. Ähnlich wird der Minimalwert der Spannungskurve 110¹ von der Spitzenwert-Messeinrichtung, die mit dem Ausgangsanschluss 110 verbunden ist, ermittelt und durch den Kondensator 115 die Spannung gemäss Kurve 115' in Figur 3B erzeugt. Beim eben erläuterten Beispiel ist angenommen, dass die negative, vom Kondensator 115 erzeugte Spannung ihrem Betrag nach grosser als die positive, vom Kondensator 112 erzeugte Spannung ist. Infolgedessen ergibt die algebraische Kombination der Spannungen 115' und 112' durch die Widerstände 116 und 113 ein negatives Signal 117' am Punkt 117. Das Signal 117' ist ein Mass für den Verstimmungszustand des Brückenkreises, so dass die Grosse des Signals 117' eine Funktion der Entfernung zwischen dem veränderlichen Induktor 105 und dem Messobjekt 106 ist. Die Spannung am Punkt 117, die durch die Kurve 117' dargestellt ist, wird durch den integrierenden Kreis aus Verstärker 118 und Rückkopplungskondensator 119 integriert, um den einstellbaren Widerstand 104 mit einer sich langsam verändernden Spannung zu versorgen, die eine

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Funktion der Entfernung zwischen dem veränderlichen Induktor 105 und dem Messobjekt 106 ist. Der Widerstand des verstellbaren Widerstandselementes 104 wird in Abhängigkeit von der ihm zugeführten, sich langsam ändernden Spannung derart eingestellt, dass die sich langsam verändernde Spannung möglichst klein wird. Wenn das einstellbare Widerstandselement 104 eine Photowiderstand-Zelle in optischer Verbindung mit einer Licht emittierenden Diode umfasst, so kann die sich langsam ändernde Spannung zur Modulation der Intensität des von der Diode emittierten Lichtes verwendet werden. Es versteht sich von selbst, dass der integrierende Kreis die Spannung Null abgibt, wenn die Brücke wieder den abgeglichenen Zustand erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ist der Widerstand des einstellbaren Vergleichselementes 104 gleich der Impedanz der veränderlichen Induktivität 105. Folglich ist eine Anzeige des Widerstandes des einstellbaren Vergleichselementes 104 durch das Gleichstrom-Widerstands-Messgerät 123 gleichzeitig eine Anzeige für die Impedanz des veränderlichen Induktors 105. Das Gleichstrom-Widerstands-Messgerät 123 kann in Entfernungseinheiten geeicht werden, um so eine direkte Messung des Abstandes zwischen der veränderlichen Induktivität 105 und dem Messobjekt 106 zu ermöglichen.

Wenn nun die Relativlage des Objektes 106 geändert wird, so ändert sich die Impedanz des veränderlichen Induktors 105 proportional und es wird der Abgleich der Brücke zerstört..

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Es sei nun angenommen, dass der Spannungsverlauf am Ausgangsanschluss 109 durch die Kurve 109' der Figur 3C dargestellt wird, deren Amplitude grosser ist als die der Kurve 110', die den Spannungsverlauf am Ausgangsanschluss 110 wiedergibt. Da die Impedanz des veränderlichen Induktors 105 geändert wurde, ist zu erwarten, dass die Phasenbeziehung zwischen der Kurve 109' und der Kurve 110*sich auch ändern wird. Dem Widerstand 113 wird ein Signal gemäss der Kurve 112· zugeführt, das von dem Kondensator 112 erzeugt ist und dem Maximalwert der Spannungskurve 109' entspricht. Ähnlich gelangt an den Widerstand 116 ein Signal gemäss der Kurve 115' von dem Kondensator 115. Letzteres Signal ist repräsentativ für den Minimalwert, der sich aufgrund der Kurve 110¹ rgibt. Es werden nun wiederum die Spitzenwerte der Kurven 109* und 110' durch algebraische Summation der Kurven 112· und 115' mittels der Widerstände 113 und 116 verglichen. Die sich am Punkt 117 ergebende Kurve 117* ist ein Mass für den Verstimmungsgrad^> des Spannungszustandes des Brückenkreises und demgemäss ist die Grosse bzw. Amplitude der Kurve 117' eine Funktion der Entfernung zwischen dem veränderlichen Induktor 105 und dem Messob^ekt 106. Der aus dem Verstärker 118 und dem Rückkopplungskondensator 119 aufgebaute Integrationskreis integriert die Spannung am Punkt 117, um das einstellbare Widerstandselement 104 mit einer sich langsam verändernden Spannung zu versorgen, die der Entfernung zwischen dem Induktor 105 und dem Messobjekt 106 entspricht. Der Wider-.

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stand des einstellbaren Widerstandselementes 104 wird entsprechend der ihm zugeführten, sich langsam ändernden Spannung eingestellt, wodurch wieder ein Abgleich der Brücke hervorgerufen wird. Infolgedessen wird die sich langsam verändernde, von dem Integrierkreis gelieferte Spannung klein werden. Es sei darauf hingewiesen, dass bei Erreichung des Brückenabgleichs die Amplitude der Spannungskurve 109' gleich der Amplitude der Spannungskurve 110^f ist, obwohl die Phasenlage der Kurve 109¹ nicht mit der der Kurve 110¹ übereinstimmen muss. Die von den Kondensatoren. 112 und 115 erzeugten Spannungen sind jedoch unabhängig von der Phasenverschiebung der Kurven 109' bzw. 110¹, weshalb die Kurve 112¹ im wesentlichen gleich und von entgegengesetzter Polarität zur Kurve 115' sein wird. Infolgedessen wird die Kurve 117¹ im wesentlichen den Wert Null annehmen. Der Widerstandswert des einstellbaren Widerstandselementes 104, der von der Gleichstrom-Widerstands-Messeinrichtung 123 angezeigt wird, kann als direkte Messung des Abstandes zwischen dem Induktor 109 und dem Messobjekt 106 angesehen werden. Es ist selbstverständlich, dass der Widerstand des verstellbaren Widerstandselementes 104 kontinuierlich verändert wird, bis der Abgleich der Brücke veränderlicher Impedanz erreicht ist. Infolgedessen ist die

105 Angabe des Abstandes zwischen dem Induktor/und dem Messobjekt 106, die man durch die Messeinrichtung 123 erhält, so lange keine Absolutmessung, bis der Abgleich der Brücke, d.h. der elektrische Gleichgewichtszustand erreicht ist.

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Vorliegende Erfindung gestattet die Erstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei dem der veränderliche Induktor 105 durch eine veränderliche Kapazität 200 ersetzt ist, wie dies in Figur 4 gezeigt ist. Eine erste Platte 205 aus elektrisch leitendem Werkstoff kann mit dem Ausgangsanschluss 110 über eine Leitung 204 und eine zweite Platte 206 aus elektrisch leitendem Werkstoff kann mit dem Eingangsanschluss 128 über die Leitung 207 verbunden sein. Die zweite Platte 206 entspricht dem vorerwähnten Messobjekt 106 und ist parallel zu und in Abstand von der ersten Platte 205 angeordnet. Die Kombination aus der ersten Platte 205 und der zweiten Platte 206 stellt die veränderliche Kapazität 200 dar. Die Hochfrequenz-Drosselspule 220 stellt einen Erdungspfad niederer Impedanz für die Gleichstrom- bzw. Gleichspannungs-Signale dar, die am Ausgangsanschluss 110 eventuell vorhan-■den sein können. Die Drosselspule 220 ist der oben beschriebenen Drosselspule 120 der Figur 2 ähnlich. Es wurde oben darauf hingewiesen, dass der Kapazitätswert eines solchen Plattenkondensators 200 proportional dem Abstand zwischen seinen Platten ist. Es ist leicht verständlich, dass das Gerät genau die Kapazität des Plattenkondensators 200 bestimmen wird, und dass infolgedessen eine genaue Messung der Entfernung zwischen den Platten 205 und 206 möglich ist. Gewünscht enf alls können die Platten 205 und 206 in einem flüssigen, dielektrischen Medium untergebracht sein, um sie von der Umgebungsluft zu isolieren und die Empfindlichkeit der

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von dem Plattenkondensator gebildeten Einheit 200 bei einer Veränderung des Plattenabstandes zu erhöhen.

Die Wirkungsweise der weiteren Ausführungsform gemäss Figur 4 ist ähnlich der oben im Zusammenhang mit Figur 2 im einzelnen beschriebenen Wirkungsweise, so dass sie nur noch kurzer Erläuterung bedarf. Anfänglich kann der Abgleich des Brückenkreises dadurch erreicht werden, dass die Platten 205 und 206 entsprechend weit voneinander getrennt werden. ' Der Widerstand des einstellbaren Widerstandselementes 104 ist gleich der Impedanz der Einheit 200 mit veränderlicher Kapazität und die Gleichstrom-Widerstands-Messeinrichtung 123 gibt die Entfernung zwischen den Platten 205 und 206 genau an. Man erhält dann die in Figur 3A dargestellten Signale bzw. Kurven. Wenn die Entfernung zwischen den Platten 205 und 206 variiert wird, ändert sicn die Kapazität des Kondensators 200 proportional, so dass der Abgleich der Brücke gestört wird. Folglich können die Kurven der Figur 3B erzeugt werden und der aus Verstärker 118 und Rückkopplungskondensator 119 bestehende Integrierkreis versorgt den .einstellbaren Widerstand 104 mit einer sich langsam verändernden Spannung, die der Entfernung zwischen den Platten 205 und 206 proportional ist. Der veränderliche Widerstand 104 spricht auf die ihm zugeführte, sich langsam ändernde Spannung an und sein spannungsabhäniger Widerstandswert wird so verstellt, dass wieder der Brückenabgleich erhalten wird. Als Folge

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hiervon vermindert sich der Betrag der sich langsam verändernden, vom Integrator gelieferten Spannung und der Widerstand des einstellbaren Widerstandselementes 104 wird so verstellt, dass er im wesentlichen der Kapazitätskomponente der Impedanz des veränderlichen Kondensators 200 gleich ist. Nun liefert das Gleichstrom-Widerstands-Messgerät 123, falls es entsprechend geeicht ist, einen Messwert hinsichtlich des Abstandes zwischen den Platten 205 und 206. Wird die Relativstellung der Platte 206 wiederum verändert, so verändert sich auch die Kapazität des Plattenkondensators 200, wodurch die Abstimmung der Brücke veränderlicher Impedanz gestört wird, was zum Auftreten beispielsweise der Kurven gemäss Figur 3C führen kann. Es ist nun klar, dass der Widerstand des einstellbaren Widerstandselementes 104 durch das ihm von dem integrierenden Kreis zugeführte, sich langsam verändernde Spannungssignal eingestellt wird und dann der Gleichgewichtszustand der Brücke veränderlicher Impedanz wieder hergestellt wird. Der Widerstandswert des einstellbaren Widerstandselementes 104 ist proportional dem Abstand zwischen den Platten 205 und 206. Das Messgerät 123 gibt eine direkte Messung des entsprechenden Vorganges.

Selbstverständlich ist es möglich, den Grundgedanken der Erfindung nicht nur in Form der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele zu verwirklichen. Es sind vielmehr eine Reihe von Änderungen und Abwandlungen im Rahmen der Erfin—

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dung möglich. Beispielsweise kann der in Figur 2 gezeigte integrierende Kreis durch einen geläufigen Differential-Integrator ersetzt werden, der einen ersten umkehrenden Eingang aufweist, welcher direkt mit dem Widerstand 113 verbunden ist, und einen zweiten, nicht-invertierenden Eingang, der direkt mit dem Widerstand 116 verbunden ist. Bei dieser Anordnung können die Halbwellen-Gleichrichter 111 oder 114 invers gepolt sein.

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Claims

Patent-(Schutz-)Ansprüche

1. ) Verfahren zum Messen der Entfernung zwischen einem Messobjekt und einer Fühleinrichtung mit veränderlicher Impedanz, dadurch gekennzeichnet, dass an eine Brücke (1) mit veränderlicher Impedanz,die die auf die Entfernung des Messobjektes (6, 106, 206) von ihr ansprechende Fühleinrichtung (5, 105, 205) und ein Vergleichselement (4, 104) mit einstellbarer Impedanz aufweist, eine periodische Spannung (7, 107) angelegt wird, wobei sich ein von der Entfernung zwischen Messobjekt und Fühleinrichtung abhängiger elektrischer Zustand der Brücke ergibt, dass dann das Vergleichselement bis zum Abgleich der Brücke verstellt wird, und dass schliesslich die Impedanz des Vergleichselementes, die eine Funktion der zu messenden Entfernung ist, gemessen (14, 123) wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstellung des Vergleichselementes (4, 104) ein elektrischer Verstimmungszustand der Brücke bestimmt und ein von diesem Zustand abhängiges Steuersignal (117¹) erzeugt wird, welches das Vergleichselement derart verstellt, dass das Steuersignal selbst möglichst klein wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Verstimmungszustandes der Brücke (1) ein erstes, einer an einem ersten Ausgangsanschluss (109) der Brücke auftretenden Maximalspannung entsprechendes Signal (112¹) sowie ein zweites, der Maximalspannung an einem zweiten Brückenausgang (110) entsprechendes Signal (115') erzeugt und diese beiden Signale (112¹, 115') verglichen werden, wobei ein die Verstimmung der Brücke angebendes Signal (117*) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des ersten Signals (112·) die Spannung (109') am ersten Ausgangsanschluss (109) gleichgerichtet und die gleichgerichtete Spannung unter Erzeugung eines positiven Spitzen-Gleichspannungssignals (112¹), welches der Maximalspannung proportional ist, gefiltert wird, und dass das zweite Signal (115¹) in gleicher Weise ausgehend von der Spannung (110¹) am zweiten Brücken-Ausgang (110) als negatives Spitzen-Gleichspannungssignal erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleich des ersten und zweiten Signals (112·, 115') das positive und das negative Spitzen-Gleichspannungssignal algebraisch (117) verglichen werden, so dass

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das weitere Signal (117*) der Differenz der Beträge der positiven und negativen Spitzen-Gleichspannungssignale (112¹, 115') proportional ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 "bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Signal (117') zur Erzeugung eines sich langsam ändernden Steuersignals integriert (118, 119) wird, welches dem Verstimmungszustand der Brücke proportional ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleichselement (4, 104) mit einstellbarer Impedanz verwendet wird, welches eine Photowiderstand-Zelle aufweist, die optisch mit einer Licht emittierenden Diode gekoppelt ist, und dass zur Verstellung des Vergleichselementes das sich langsam ändernde Steuersignal auf die Licht emittierende Diode gegeben wird, wodurch -die Intensität des von der Diode emittierten Lichtes moduliert wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des elektrischen Zustandes der Brücke (1) der Fühleinrichtung (5, 105) mit veränderlicher Impedanz Energie (7, 107) zugeführt und hierdurch ein magnetisches Feld erzeugt wird, und dass die Induktivität und/oder der

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Widerstand der Fühleinrichtung entsprechend dem Zwischenraum zwischen dieser und dem Messobjekt (6, 106) eingestellt werden.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des elektrischen Zustandes der Brücke (1) der Fühleinrichtung (205)" Energie (107) zugeführt und die Kapazität der Fühleinrichtung entsprechend dem Zwischenraum zwischen dieser und dem Hessobjekt (206) eingestellt wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Brücke (1) mit einer Mehrzahl von Brückenzweigen, von denen einer die auf die Entfernung des Messobjektes (6, 106, 206) mit Veränderung der Impedanz ansprechende Fühleinrichtung (5, 105, 205) und ein anderer das einstellbare Vergleichselement (4, 104) enthält, durch eine Energiequelle (7, 107) zur Anlegung eines Erregungssignals an die Brücke, durch eine ein Steuersignal erzeugende Steuereinrichtung (13; 118, 119), welche mit der Brücke gekoppelt ist und auf die bei deren Verstimmung erzeugten Signale (112', 115') unter Verstellung des Vergleichselementes in Richtung auf einen Brükken-Abgleich anspricht, sowie durch eine Impedanz-Messeinrichtung (14, 123), die die Impedanz des Vergleichs-

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elementes verstellbarer Impedanz misst.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fühleinrichtung (5, 105, 205) ein ein Feld erzeugendes Element aufweist, das ein Feld in Abhängigkeit von einem angelegten Erregungssignal erzeugt und dessen Impedanz von der Entfernung des Messobjektes (6, 106, 206) abhängig ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das ein Feld erzeugende Element eine magnetisierbare Induktsionsspule (105) aufweist, die magnetisch mit dem Messobjekt (106) gekoppelt ist und eine induktive Blind-widerstandskomponente besitzt, welche sich als Funktion des Abstandes zwischen Spule (105) und Messobjekt (106) ändert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das ein Feld erzeugende Element eine Wirbelstrom-Sonde aufweist, die magnetisch mit dem Messobjekt (6, 106) gekoppelt ist und eine Widerstandskomponente besitzt, welche sich als Funktion des Abstandes zwischen Wirbelstrom-Sonde und Messobjekt.ändert.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass das ein Feld erzeugende Element eine elektrisch

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leitende Einrichtung (200) aufweist, die eine erste Platte (205) eines aus parallelen Platten (205, 206) bestehenden Kondensators (200) umfasst, dessen zweite Platte (206) zu dem Messobjekt gehört, und dass der Kondensator eine kapazitive Blindwiderstandskomponente besitzt, welche sich proportional zum Abstand zwischen der elektrisch leitenden Einrichtung (205) und dem Messobjekt (206) ändert,

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die das Steuersignal (117¹) erzeugende Einrichtung ein ersten Glied (111 _f 112) zur Erzeugung eines dem Spitzensignal an einem ersten Brückenausgang (109) proportionalen ersten Signals (112')₉ ein zweites Glied (114, 115) zur Erzeugung eines dem Spitzensignal an einem zweiten Brückenausgang (110) proportionalen zweiten Signals (115¹) und ein Kombinierglied (113, 116) aufweist, welches mit dem ersten und zweiten zur Erzeugung von Steuersignalen (117*) gekoppelt ist, die der Differenz zwischen den ersten und zweiten Signalen (112·, 115') proportional sind, wenn die Impedanz des ein Feld erzeugenden Elementes (5, 105, 205) geändert wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombinierglied einen mit dem ersten und zweiten Glied (10, iij 111i 112; 114, 115) gekoppelten, ' ·

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die Beträge des ersten und zweiten Signals (112«, 115') vergleichenden und das Vergleichsergebnis angebenden Komparator (12; 113, 116) aufweist, mit dem ein Integrator (13; 118, 119) verbunden ist, der auf das einstellbare Vergleichselement (4, 104) ein dessen Impedanz entsprechend dem Ausgangssignal (117*) des Komparator s änderndes Signal gibt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Integrators (13; 118, 119) ein sich langsam änderndes, dem Vergleichsergebnis im Komparator (12; 113, 116) proportionales Signal ist.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Glied einen ersten Spitzenwert-Messkreis (10; 111, 112) umfasst¹, der einen Halbwellen-Gleichrichter (111) für positive Signale aufweist, dessen Eingang mit dem ersten Ausgangsanschluss (109) der Brücke und dessen Ausgang mit dem Eingang eines ersten Tiefpass-Filters (112) verbunden ist, und dass das zweite Glied (11; 114, 115) entsprechend einen zweiten Spitzenwert-Messkreis mit einem Halbwellen-Gleichrichter (114) für negative Signale aufweist, wobei der Eingang des zweiten Gleichrichters (114) mit dem zweiten Ausgangsanschluss (110) der

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Brücke, sein Ausgang mit dem Eingang eines zweiten Tiefpass-Filters (115) verbunden ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das einstellbare Vergleichselement (4, 104) eine Photowiderstand-Zelle aufweist, die optisch mit einer Licht emittierenden Diode gekoppelt ist, welche ihrerseits an den Ausgang des Integrators (13; 118, 119) derart angeschlossen ist, dass die Intensität des von der Diode abgegebenen Lichtes durch das sich langsam ändernde Integrator-Ausgangssignal bestimmt ist.

20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (1) vier Zweige besitzt, nämlich einen ersten Zweig zwischen einem ersten Eingangsanschluss (127) und dem ersten Ausgangsanschluss (109) mit einer ersten, konstanten Impedanz (102), einen zweiten Zweig zwischen dem ersten Eingangsanschluss (127) und dem zweiten Ausgangsanschluss (110) mit einer zweiten, konstanten Impedanz (103), einen dritten Zweig zwischen einem zweiten Eingangsanschluss (128) und dem ersten Ausgangsanschluss (109) mit dem Vergleichsglied (104) einstellbarer Impedanz, sowie einen vierten Zweig zwischen dem zweiten Eingangsanschluss (128) und dem zweiten Ausgangsanschluss (110), in welchem das ein Feld erzeugende Element (FUhI-

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einrichtung) (105; 205, 206) enthalten ist.

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mit der FUhleinrichiung (5, 105, 205) veränderlicher Impedanz ein Element gekoppelt ist, mittels dessen die Impedanz und
dadurch der Gleichgewichtszustand der Impedanz-Brücke (1) veränderlich ist.

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