DE2218824A1 - Laengenmesseinrichtung - Google Patents

Description

DlPi.-lNG. DIETER 3ANDER

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BtULU S3 (Ο/'ϊ-iLEM)

TELEFON 83240 66 ^ IÖ/ I? opp VJh

14-. April 1972

Patentanmeldung

des Herrn

Hans Ulrich MEYER

Morges (Waadt, Schweiz)

Längenmesseinrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kapazitive Längenmesseinrichtung, die eine hohe Genauigkeit, Linearität und Auflösungsvermögen aufweist, wobei sie, verglichen mit bekannten Einrichtungen, mit kleineren Kapazitäten und Kapazitätsänderungen des Messwert-Aufnehmers auskommt. Letzterer Vorteil ermöglicht einen einfachen Aufbau und kleine
Abmessungen des Messwert-Aufnehmers, sodass sich die Einrichtung zu Anwendungen beispielsweise als elektronischer
Messtaster gut eignet.

PA/lj-10.254 - 2 -

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Die Eigenschaften des Systems ermöglichen auch eine Messeinrichtung für grössere Längen, indem eine Anzahl Kondensator-Beläge nacheinander durch schaltungstechnische Mittel an eine Elektronik angeschlossen werden.

Der Messwert-Aufnehmer des Systems gemäss der Erfindung weist einen mobilen Kondensator-Belag auf, welcher durch die zu messende Grosse gegenüber zwei festen Belägen parallel verschoben wird, sodass man ein lireares Verhältnis zwischen der Differentialkapazität des so gebildeten Differentialkondensators und der zu messenden Grosse erhält. Es sind Ausführungen bekannt geworden, die einen solchen Aufnehmer besitzen. In einer dieser Ausführungen werden den beiden festen Belägen je zwei untereinander um l80° phasenverschoben Sinusspannungen zugeführt. Die auf dem mobilen Belag erhaltene Wechselspannung wird einem Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz zugeführt und dann synchron demoduliert, um eine mit der Verschiebung im linearen Verhältnis stehende Ausgangsgleichspannung zu erhalten. Ein Nachteil dieses Systems besteht darin, dass die Kabelkapazität, die sich durch die Verformung des Zuführungskabels ja verändert, durch eine möglichst grosse

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Kapazitätsänderung des Messwert-Aufnehmers und durch eine diese Aenderung teilweise kompensierende Gegenkopplung des Vorverstärkers bekämpft werden muss.

Ein weiterer Nachteil besteht in der Schwierigkeit, die Amplitude der den festen Belägen zugeführten Sinusspannungen ohne aufwendige Mittel auf einen genauen Wert konstant zu halten. Endlich besteht ein dritter Nachteil in der Notwendigkeit der Demodulation des abzulesenden Signals, was für eine Messgenauigkeit von etwa 1 o/oo, bezo- ~ gen auf den Messbereich, oder besser, hohe Anforderungen an den Demodulator stellt.

Die längenmesseinrichtung gemäss der Erfindung vermeidet diese Nachteile. Sie weist als Messwertaufnehmer einen Differentialkondensator auf, auf dessen einer Seite der Empfängerbelag liegt, und dessen andere Seite mindestens zwei Geberbeläge trägt, wobei sich beide Seiten relativ zueinander parallel verschieben lassen, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Geberbeläge zwischen einer, von einem Regelteil abgegebenen Messspannung und Je zwei Referenzgleichspannungen durch Schaltmittel so hin- und

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hergeschaltet werden, sodass, wenn die Regelspannung vom Regelteil derart eingestellt wird, dass die am Empfängerbelag erhaltene Wechselspannung zu Null wird, diese Wechselspannung in einem linearen Verhältnis zur messenden Verschiebung steht.

Das Hindernis der Erzeugung einer Sinusspannung genauer Amplitude und das einer hochpräzisen Demodulation wird umgangen, indem man diese durch eine Spannungszerhackung und eine Nullmethode ersetzt, durch deren Zusammenwirkung eine höhere Systemgenauigkeit erzielt werden kann. Indem die Amplitude der auf dem Empfängerbelag auftretenden Wechselspannung im erfindungsgemässen System nicht mehr wesentlich ist, wird der Einfluss der Kapazität des Zuführungskabels vernachlässigbar.

Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer Messeinrichtungen sind in Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 7 dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein allgemeines Prinzipschema,

Fig. 2 die den Geberbelägen des Messwertaufnehmers zuge-

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führten Spannungen,

Fig. 3 die ideale und wirkliehe Messkurve des Systems^,

Fig. 4 ein Beispiel eines analogen RegelteileSj,

Fig. 5 ein Beispiel eines digital-analogen Regelteiles,

Fig. 6 eine Erweiterung des Systems für grössere Messlängen, . ·

Fig. 7 den Spannungsverlauf der Ausgänge des Zählers gemäss Fig. 6.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird der eine Geberbelag ^l eines Messwertaufnehmers j5 durch einen ersten elektronischen Schalter An eine Referenzgleichspannung V.., und durch einen zweiten elektronischen Schalter £? an den Ausgang eines Regelteiles £*. der weiter unten beschrieben wird, angeschlossen. Der andere Geberbelag j52 wird auf ähnliche Weise durch einen dritten elektronischen Schalter ^l ^an eine zweite Referenzgleichspannung Vp, und durch einen vierten elektronischen Schalter 4^ auch an den Ausgang des Regelteiles J. angeschlossen. Es sei hierbei bemerkt, dass eine der beiden Referenzgleichspannungen V- oder V₂ gleich

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Null sein kann.

Die elektronischen Schalter werden nun von einem Rechteckwellen-Generator 8 und einem diesem Generator nachgeschalteten Inverter £^ so angesteuert, dass während dem einen Teil der Periode des Generators S die Schalter JL und j5 leiten, und so die Geberbeläge 51. und J52_ an die Referenzgleichspannungen V₁ bzw. V₂ angeschlossen sind, und während dem anderen Teil der Periode die Schalter 2_ und 4_ leiten, und so beide Geberbeläge an dem Ausgang des Regelteiles 2. liegen.

Fig. 2 zeigt die an den Geberplatten auftretenden Rechteckspannungen V_. und V₀₂. Die Spannung V_Q ist die Ausgangsspannung des Regelteiles 21·. Weisen die Schalter keine Restspannungen auf, was zum Beispiel bei Feldeffekt-Analog-Schaltern der Fall ist, werden die Spannungen an den Geberbelägen, V_Q1 und V_Q2, abwechselnd die Werte V_Q und V , bzw. V_p annehmen.

Es sei nun L die in der Verschiebungsrichtung gemessene Lange des Empfängerbe1ages ^ des Messwertaufnehmers 5.

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und X der Wert der Verschiebung zwischen den Geber- und den Empfänger-Belägen. X ist Null in der Mittenstellungj d.h. wenn die beiden Teilkapazitäten C₁^ und Cp einander gleich sind. Dabei wird auch angenommen, dass die senkrecht gemessene Distanz zwischen den Belägen konstant bleibt. Dann hat man den folgenden Zusammenhang zwischen der Messverschiebung X und dem Quotienten der zwei Teilkapazitäten C und Cp :

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Dies gilt, solange X kleiner als p- ist, und man von den Randeffekten absieht.

Wechselt nun die Spannung V^₁ vom Wert V~ zum Wert V,, wird dem Empfängerbelag folgende Ladung Q.. übertragen:

gleichzeitig wechselt aber V„_p vom Wert V„ zum Wert V_p, und dadurch wird folgende Ladung Qp übertragen:

Q₂ = C₂₃ (V₂ - V₀)

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Ist die übertragene Gesamtladung gleich Null, also

Q₁ = -Q₂

hat man keinen induzierten Spannungssprung auf dem Empfängerbelag, mit anderen Worten keine induzierte Wechselspannung V_.

In diesem Falle hat man die Beziehung:

IY T Y

O ~ \2~L'1^2L'2

V₀ ist also, für den Pail, dass die Wechselspannung V = O ist, eine lineare Punktion der Verschiebung 2Ll ^ie wirkliche Funktion zeigt Fig. J5. Theoretisch sollte man zwischen den Verschiebungswerten X = - p- und X = + ^- eine Gerade haben. Durch die Randeffekte, die von der Geometrie abhängen, entstehen aber leichte Abweichungen an den Bereiehsenden. Dem kann leicht abgeholfen werden, indem man L etwas grosser als den Messbereich macht, und indem man einen genügend kleinen Abstand zwischen den Belägen wählt.

In der hier beschriebenen Schaltung wird die Spannung V_Q automatisch so eingestellt, dass die auf dem Empfängerbe

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lag 5J5 des Messwertaufnehraers 5_ induzierte Wechselspannung V dem Wert Null zustrebt. Der Empfängerbelag 5J5 ist direkt, oder durch kapazitive Kopplung dem Eingang eines Wechselstrom-Vorverstärkers 6, angeschlossene Dieser Vorverstärker 6. wirkt als Impedanzwandler, um die induzierte Spannung V-. nicht zu belasten^ und um Rückwirkungen der nachfolgenden Schaltung auf den Eingang zu verhindern. Der Ausgang des Vorverstärkers 6_ ist mit dem Eingang des Regelteiles £ verbunden. Dieser Regelteil £ hat die Funktion, seine Ausgangsspannung V_ so zu verändern,, dass die auf dem Empfängerbelag 5J5 induzierte Wechselspannung dem Wert Null zustrebt. Verschiebt man die Empfängerplatte 53, wird sich also die Ausgangsspannung V_Q des Regelteiles so verändern, dass die induzierte Wechselspannung wieder gleich Null wird. Die folgenden Schaltungen sind als Verwirklichungsbeispiel eines solchen Regelteiles gegeben.

Eine erste Schaltung zeigt Fig. 4·. Die Ausgangswechselspannung V₂, des Vorverstärkers 6_ wird dem Synchron-Demodulator £1 zugeführt. Die Polarität der Ausgangsspannung dieses Synchron-Demodulators £1 ist durch die Phasenlage

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der Eingangsspannung gegeben. Der nachgeschaltete Integrator 22 ändert seine Ausgangsspannung in einem, durch die Polarität der Ausgangsspannung des Demodulators gegebenen Sinn. Erfolgt die Steuerung des Synchron-Demodulators durch die richtige Phase, wird der Regelteil £ seine Ausgangsspannung V₀ immer so ändern, dass die von dem Empfängerbelag abgegebene Wechselspannung V-, dem Nullwert zustrebt.

Eine Abänderung der beschriebenen Regelschaltung mag darin bestehen, dass man den Integrator durch einen Differenz-Integrator ersetzt, d.h. durch einen Integrator, der die Differenz zwischen zwei Eingangssignalen integriert. Die Schaltung eines Differenz-Integrators ist in Fachkreisen bekannt, sodass auf die Beschreibung derselben hier verzichtet werden kann. Den beiden Eingängen des Differenz-Integrators werden nun je 1 Synchron-Demodulator vorgeschaltet. Die Eingänge beider Synchron-Demodulatoren sind an den Ausgang des Vorverstärkers 6, also an die Wechselspannung Yu angeschlossen, und beide Synchron-Demodulatoren werden mit entgegengesetzten Phasen angesteuert. Diese wenig aufwendige Schaltung gibt wegen der ununterbrochenen Integration eine bessere Störfestigkeit.

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Die Messgenauigkeit des Systems macht es für eine digitale Auswertung der Messung geeignet. Eine solche Auswertung wird durch einen nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler ermöglicht. Man kann aber auch den Regelteil so auslegen, dass er gleichzeitig die Punktion des Analog-Digital -Wandlers erfüllt. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 5· Der Ausgang des Vorverstärkers ist dem Eingang des Komparators 7J3 angeschlossen. Die Ausgangs spannung des Komparators wird mit der Vergleichsspannung Vg, die vom Rechteckwelle-Generator 8 geliefert wird, in einem digitalen Synchron-Demodulator *Jh, der zum Beispiel aus einen Exklusiv/Oder-Tor besteht, verglichen, und der nachgeschaltete Aufwärts/Abwärts-Zähler 7_5_ zählt je nach dem Zustand am Ausgang des Tores Jjl· ^auf oder ab. Die Zählfrequenz ist durch den Pulsgenerator 22 gegeben. Der Ausgang des Zählers 25 wird einem Digital-Analog-Wandler 26 angeschlossen, und die erhaltene Ausgangsspannung ist gleich der Messspannung V_. Der digitale Wert von V_n könnte also direkt von Zähler 75. abgegeben werden. Es ist aber vorteilhaft, einen zweiten Aufwärts/Abwärts-Zähler 7j8 an dasselbe Tor Jjt, und an denselben Pulsgenerator J_2 anzuschliessen, und den Ausgang dieses Zählers J_8 einer De-

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kodier- und Anzeige-Einheit J£ zuzuführen. Diese Lösung hat zwei Vorteile: Erstens kann der zweite Zähler durch einen Schalter £0 an einer beliebigen Stelle auf Null bzw. auf eine vorgewählte Zahl gestellt werden, und zweitens kann der erste Zähler J^ binär sein, was für den Digital-Analog-Wandler günstiger ist, während der zweite Zähler im BCD-Code, also dezimal, zählt, was für die Auswertung günstiger ist.

Die Genauigkeit des Systems, gepaart mit dem einfachen me chanischen Aufbau des Messwertaufnehmers, machen es möglich, das System durch aneinandergereihte Beläge, die nacheinander elektrisch angeschlossen werden, so zu ergänzen, dass man grössere Längen mit einer hohen Genauigkeit messen kann. Fig. 6 zeigt, wie die Einrichtung für grössere Messlängen erweitert werden kann. Der Messwertaufnehmer besteht, wie zuvor, aus zwei sich gegenüberstehenden Flächen, wobei sich die eine gegenüber der anderen parallel verschiebt. Auf der ersten Fläche ist eine Anzahl Beläge f>j$ und j54 angebracht. Die eine Hälfte ^jJ der Beläge wird, direkt oder durch kapazitive Kopplung, an den Vorverstärker 6_ angeschlossen, die andere Hälfte

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54 der Beläge ist an die Masse gelegt. Die Anordnung ist so, dass jeweils zwischen zwei an den Vorverstärker angeschlossenen Belägen 5]5 ein an der Masse angeschlossener Belag 5_4 liegt. Es sei T die Distanz, die die Mitte zweier Beläge, die an den gleichen Punkt angeschlossen werden, trennt. Auf der gegenüberliegenden Fläche kommen, auf einer T entsprechenden Strecke, je 2N Beläge, wobei N eine ganze Zahl ist. In Fig. 6 ist z.B. N = 5. Die 2IT Beläge bis JiO werden nun an die beiden, vorhin beschriebenen

Wechselspannungen V_n- und V_~ so angeschlossen, dass jeweils N aufeinanderfolgende Beläge an V₀₁, und die N nächsten Beläge an V_Q2 angeschlossen sind» Dies geschieht durch die 2N elektronischen Schalter 11 bis 20_T die die 2N Beläge J51, bis JjO an die Wechselspannung V_Q, anschliessen, und die 2N weiteren elektronischen Schalter £1 bis 30 _f die dieselben Beläge ^l - 40 an die Wechselspannung V_Q2 anschliessen. Die Schalter IJL bis ^jO werden nun so gesteuert, dass jeweils N aufeinanderfolgende Beläge an dieselbe Wechselspannung angeschlossen sind, und somit elek-

T trisch gesehen, einen Geberbelag der Länge ^- bilden. Der zweite Geberbelag ist aus den N nächsten Belägen gebildet u.s.w. Für eine gegebene Zuteilung der Beläge 31 bis 4P

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hat man also eine Messlänge von T/N. Wird nun diese Messlänge in einer gegebenen Richtung überschritten, wird die Zuteilung der Beläge um einen Belag verschoben. Waren z.B. die Beläge J^ 3ju. .3Ju. 3JL_ Jl an V₀₁, die Beläge 39. 40, 31. J2 an V₀₂ angeschlossen, und hat sich die Fläche P, relativ zur Fläche Fp der Fig. 6 nach rechts verschoben, werden als nächstes die Beläge 34. 35. 36, 37, 38. an V₀ , und die Beläge 39 _T 40. 31. 32. jj£ an V_Q2 angeschlossen. Die Steuerungslogik: der elektronischen Schalter 11_ bis 30, die diese Funktion zu erfüllen hat, ist einfach. Ist die Grenze eines einzelnen Bereiches überschritten, entsteht z.B. durch den Ueberlauf des im Regelteil oder im Analog-Digital-Wandler enthaltenen Zähler ein Puls, der den Aufwärts/Abwärts-Zähler J, um eine Einheit weiter zählen lässt. In anderen Worten sind beide Zähler einfach hintereinander geschaltet. Der Zähler J, ist ein N-stufiger Aufwärts/Abwärts-Johnson-Zähler.

Fig. 7 zeigt ein typisches Spannungsdiagramm eines 5-stufigen Johnson-Zählers. Das Signal am M-Eingang bestimmt die Zählrichtung, dasjenige am C-Eingang die Zählfolge. V-, bis V₁,- sind die an den 5 Ausgängen gemessenen Span-

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nungsverläufe. Diese Ausgänge steuern nun einerseits die

Schalter S_n, bis S_n,- und S~,- bis S-.^. und werden ander- 11 ±o do Q\j

seits den Invertern I bis I,- zugeführt, welche ihrerseits die Schalter S-.,- bis S_o~ und S~, bis S_or- ansteuern.

It) dX) dl dp

Dadurch ergibt sich die gewünschte Anschlusskonfiguration der Beläge.

- Patentansprüche 309840/0730

Claims (12)

31-" :.r -. 218/13 833 14. April 1972 Patentanmeldung des Herrn Hans Ulrich MEYER Morges (Waadt, Schweiz) Patentansprüche

1.) Längenmesseinrichtung, deren Messwert-Aufnehmer einen Differential-Kondensator bildet, auf dessen einer Seite der Empfängerbelag liegt, und dessen andere Seite mindestens zwei Geberbeläge trägt, wobei sich beide Seiten relativ zueinander parallel verschieben lassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Geberbeläge (51.» 52) zwischen einer, von einem Regelteil abgegebenen Messspannung und je zwei Referenz-Gleichspannungen durch Schaltmittel (1 bis 4) derart hin- und hergeschaltet

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werden, sodass. wenn die Messspannung vom Regelteil (7) derart eingestellt wird, dass die am Empfängerbelag (53) erhaltene Wechselspannung zu Null wird, diese Messspannung in einem linearen Verhältnis zur messenden Verschiebung steht.

2. Längenmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Geberbeläge (51* 52) an je zwei elektronischen Schaltern (1, 2, bzw» j>* ^) angeschlossen sind, welche von einem Rechteckwellen-Generator (8) und einem Inverter (9) durch Kopplungsmittel so angesteuert sind, dass während einem Teil der Periode des Generators beide Geberbeläge (51* 52) an der Messspannung, und während dem anderen Teil an je einer Referenzspannung angeschlossen werden.

3. Längenmesseinrichtung gemäss den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Referenzspannungen gleich Null ist.

4. Längenmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schalter (1

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bis 4) Analog-Schalter in Feldeffekt-Bauart sind.

5. Längenmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Empfängerbelag (53) ein Vorverstärker (6) mit hoher Eingangsimpedanz über Kopplungsmittel angeschlossen ist.

6. Längenmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelteil (7) aus einem synchronen Demodulator (71), an welchen ein Integrator (72) angekoppelt ist, besteht.

7. Längenmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelteil (7) aus zwei mit entgegengesetzten Phasen angesteuerten Synchron-Demodulatoren besteht, deren Ausgänge über Kopplungsmittel an je einen Eingang eines Differenzintegrators angeschlossen sind.

8. Längenmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Regelteil aus einem Komparator (75) besteht, sowie einem diesem Komparator

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(73) nachgeschalteten digitalen Synchron-Demodulator (74), dessen Ausgang an den die Zählrichtung bestimmenden Eingang eines Zählers (75) angeschlossen ist, welcher seinerseits ausgangsseitig an einen Digital-Analog-Konverter (76) angeschlossen ist.

9· Längenmesseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Zähler (78) auch an den Ausgang des digitalen Synchron-Demodulators (74) angeschlossen ist, und dass man diesen weiteren Zähler (78) an jeder beliebigen Stelle entweder auf Null oder auf eine beliebige Zahl einstellen kann, wobei an diesem Zähler (78) Ablese- oder Auswertungsmittel (79) angeschlossen sind.

10. Längenmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Flächen des Messwert-Aufnehmers (5) eine Anzahl Beläge (31 bis 40) gleicher Länge aufeinanderfolgen, die durch schaltungstechnische Mittel (11 bis 3O) so angeschlossen werden, dass mehrere aufeinanderfolgende Beläge (3I bis 40) elektrisch gesehen einen Belag bilden, der sich der zu

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messenden Verschiebung entsprechend verschiebt,

11. Längenmesseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Geberseite des Messwert-Aufnehmers auf die erwähnte Art unterteilt ist, sodass auf den Mittenabstand zwischen zwei Empfängerbelägen (53* 5^) jeweils 2N Geberbeläge kommen, und dass den einzelnen Geberbelägen (31 bis 40) durch elektronische Schalter (11 bis 30) eine der beiden Geber-Wechselspannungen zugeführt wird, solcherart dass immer eine ganze Zahl N aufeinanderfolgender Geberbeläge an eine der Geberspannungen, die nächsten N Beläge an die andere Geberspannung angeschlossen sind, und dass, wenn die Grenzen einer einzelnen Messstrecke überschritten sind, sich die SpannungsZuteilung dementsprechend um einen Geberbelag verschiebt.

12. Längenmesseinrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schalter (11 bis 30) von einem, dem Zähler des Digital-Analog-Wandlers angeschlossenen bi-direktioneilen Johnson-Zähler und mehreren Invertern (I, bis I,-)

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so angesteuert werden, dass die gewünschte Spannungs zuteilung erzeugt wird.

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