DE2218824B2

DE2218824B2 - Verfahren zum Messen der Verschiebung einer Elektrode eines Differentialkondensators relativ zu den anderen Elektroden

Info

Publication number: DE2218824B2
Application number: DE2218824A
Authority: DE
Inventors: Hans Ulrich Morges Waadt Meyer (Schweiz)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-03-22
Filing date: 1972-04-14
Publication date: 1974-06-27
Also published as: JPS498266A; NL182173B; FR2176724B1; DE2218824C3; CH539837A; US3857092A; GB1366284A; FR2176724A1; JPS5623090B2; NL7303858A; NL182173C; BR7301987D0; DE2218824A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Verschiebung einer Elektrode eines Differentialkondensators relativ zu den anderen Elektroden, bei dem die beiden Elektroden mit Wechselspannungen beaufschlagt werden und die auf der einen Elektrode induzierte Spannung in eine der Verschiebung proportionale Anzeigespannung umgeformt wird.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (siehe deutsche Patentschrift 953 745) werden die beiden anderen Elektroden von zwei zueinander um ISO " phasenverschobene Sinusspannungen beaufschlagt, und die induzierte Spannung wird im Wege der Demodulation in die Anzeigespannung umgeformt. Die induzierte Spannung schwankt proportional mit der Verschiebung, hat also im allgemeinen einen von Null abweichenden Wert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte Verfahren derart auszuführen, daß die induzierte Spannung gegen Null geht.

fio Diese Aufgabe wird crlindungsgemäß .ladurcli gelöst, daß die beiden Elektroden abwechselnd mit zwo unterschiedlichen Rcfcrenzglcichspan innigen einerseits und mit der Anzcigespamuing andererseits beaufschlagt werden und daß über Regclglieder die Anzcigcspannung derart variiert wird, daß die au der einen Elektrode induzierte Spannung Null wird Der Wirteil dieser Maßnahmen bestellt darin, dai

sich KahelkapaziläkMi der die indii/.icrle Spannun;

führenden Leitung nicht störend auswirken können. Hinzu kommt, daß aus diesem Grunde auch der Differentialkondensator klein sein kann. Schließlich wird auch nicht mehr mit Sinusschwingungen, sondern mit Gleichspannungen gearbeitet, die über Schalter an die Elektroden des Kondensators angelegt werden, was den apparativen Aufwand wesentlich verringert. Man beachte hierbei insbesondere, daß es relativ aufwendig ist, Sinusschwingungen möglichst rein zu erzeugen und konstant zu halten und schließlich die induzierte Spannung zu demodulieren.

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Längenmeßeinrichtungen sind zwecks Erläuterung in den F i g. 1 bis 7 dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein allgemeines Prinzipschema,

F i g. 2 die den Elektroden des Meßwertaufnehmers zugeführten Spannungen,

F i g. 3 die ideale und wirkliche Meßkurve des Systems,

F i g. 4 ein Beispiel eines analogen Regelteiles,

F i g. 5 ein Beispiel eines digital-analogen Regelteiles,

F i g. 6 eine Erweiterung des Systems für größere Meßlängen,

F i g. 7 den Spannungsverlauf der Ausgänge des Zählers gemäß F i g. 6.

Wie in F i g. 1 gezeigt, wird eine Elektrode 51 eines Differentialkondensators 5 durch einen ersten elektronischen Schalter 1 an eine Referenzgleichspannung V₁, und durch einen zweiten elekt:onischen Schalter 2 an den Ausgang eines Regelteiles 7. der weiter unten beschrieben wird, angeschlossen. Eine Elektrode 52 wird auf ähnliche Weise durch einen dritten elektronischen Schalter 3 an eine zweite Referenzgleichspannung V₂, und durch einen vierten elektronischen Schalter 4, auch an den Ausgang des Regelteiles 7 angeschlossen. Es sei hierbei bemerkt, daß eine der beiden Referenzgleichspannungen V₁ oder V., gleich Null sein kann.

Die elektronischen Schalter werden nun von einem Rechteckwellen-Generator 8 und einem diesem Generator nachgeschalteten Inverter 9 so angesteuert, daß während des einen Teils der Periode des Generators 8 die Schalter 1 und 3 leiten und so die Elektroden 51 und 52 an die Referenzgleichspannungen K₁ bzw. V„ angeschlossen sind, und während des anderen Teils der Periode die Schalter 2 und 4 leiten und so beide Elektroden an dem Ausgang des Regelteiles 7 liegen.

F i g. 2 zeigt die an den Elektroden 51 und 52 auftretenden Rechteckspannungen K₀₁ und K₀.,. Die Spannung K₀ ist die Ausgangsspannung des Regelteiles 7, die zugleich die Anzeigespannung ist. Weisen die Schalter keine Restspannungen auf, was zum Beispiel bei Feldeffekt-Aanalog-Schaltem der Fall ist. werden die Spannungen an den Elektroden 51 und 52 V₀₁ und K₀.,, abwechselnd die Werte K₀ und K₁ bzw. K₂ annehmen.

"Es sei nun L die in der Verschiebungsrichtung gemessene Länge einer Elektrode 53 des Differentialkondensator 5 und X der Wert der Verschiebung. X ist Null in der Minenstellung, d. h. wenn die beiden Teilkapazitäten C₁₃ und C₂₃ einander gleich sind. Dabei wird auch angenommen, daß die senkrecht gemessene Distanz zwischen den Elektroden konstant bleibt. Dann hat man den folgenden Zusammenhang zwischen der Meßverschiebung λ' und dem Quotienten der zwei Teilkapazitäten C₁₃ und C₂₃:

Dies gilt, solange X kleiner als ^- ist und man von

den Randeflekten absieht.

Wechselt nun die Spannung K₀₁ vom Wert K₀ zum Wert K₁, wird der Elektrode folgende Ladung Q₁ übertragen:

Gleichzeitig wechselt aber K₀₂ vom Wen K₀ zum Wert K.,. und dadurch wird folgende Ladung Q₂ übertragen:

OS= Cj₃(Pj- K₀).

Ist die übertragene Gesamtladung gleich Null, also Q₁= -G₂.

hat man keinen induzierten Spannungssprung auf der Elektrode 53, mit anderen Worten keine induzierte Wechselspannung K_r

In diesem Falle hat man die Beziehung:

K₀ ist also, für den Fall, daß die Wechselspannung K₃ = O ist, eine lineare Funktion der Verschiebung X. Die wirkliche Funktion zeigi: Fig. 3. Theoretisch sollte man zwischen den Verschiebungswerten

λ' - - γ und X= --- -y eine Gerade haben. Durch die Randeffekte, die von der Geometrie abhängen, entstehen aber leichte Abweichungen an den Bereichsenden. Dem kann leicht abgeholfen werden, indem man L etwas größer als den Meßbereich macht, und indem man einen genügend kleinen Abstand zwischen den Belägen wählt.

In der hier beschriebenen Schallung wird die Spannung K₀ automatisch so eingestellt, daß die auf der Elektrode 53 des Differentialkondensators 5 induzierte Wechselspannung K₃ dem Wert Null zustrebt. Die Elektrode 53 ist direkt oder durch kapazitive Kopplung dem Eingang eines Wechselstrom-Vorverstärkers 6 angeschlossen. Dieser Vorverstärker 6 wirkt als Impedanzwandler, um die induzierte Spannung K.j 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 7 verbunden. Dieser Regelteil 7 hat die Funktion, seine Ausgangsspannung K_n so zu verändern, daß die auf der Elektrode 53 induzierte Wechselspannung dem Wert Null zustrebt. Verschiebt man die Elektrode 53, wird sich also die Ausgangsspannung K₀ 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 F i g. 4. Die Ausgangswechselspannung K₄ des Vorverstärkers 6 wird dem Synchron-Demodulator 71 zugeführt. Die Polarität der Ausgangsspannung dieses Synchron-Demodula-101s 71 ist durch die Phasenlage der Eingangsspan-

lung gegeben. Der nachgeschaltete Integrator 72 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 7 seine Ausgangsspannung F₀ immer so ändern, daß die von dem Empfängerbelag abgegebene Wechselspannung F₃ 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, so daß 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 F₄ angeschlossen, und beide Synchron-Demodulatoren werden mit entgegengesetzten Phasen angesteuert. Diese wenig aufwendige Schaltung gibt wegen der ununterbrochenen Integration eine bessere Störfestigkeit.

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 Funktion des Analog-Digital-Wandlers erfüllt. Ein Ausführungsbeispit:l zeigt F i g. 5. Der Ausgang des Vorverstärkers ist dem Eingang des Komparators 73 angeschlossen. Die Ausgangsspannung des Komparators wird mit der Vergleichsspannung F₈, die vom Rechteckwellen-Generator 8 geliefert wird, in einem digitalen Synchron-Demodulator 74, der zum Beispiel aus einen Exklusiv/Oder-Tor besteht, verglichen, und der nachgeschaltete Aufwärts/Abwärts-Zähler 75 zählt je nach dem Zustand am Ausgang des Tores 74 auf oder ab. Die Zählfrequenz ist durch den Pulsgenerator 77 gegeben. Der Ausgang des Zählers 75 wird einem Digital-Analog-Wandler 76 angeschlossen, und die erhaltene Ausgangsspannung ist gleich der Meßspannung F_n. Der digitale Wert von F_n könnte also direkt vom Zähler 75 abgegeben werden. Es ist aber vorteilhaft, einen zweiten Aufwärts/Abwärts-Zähler 78 an dasselbe Tor 74 und an denselben Pulsgenerator 77 anzuschließen, und den Ausgang dieses Zählers 78 einer Dekodier- und Anzeige-Einheit 79 zuzuführen. Diese Lösung hat zwei Vorteile: Erstens kann der zweite Zähler durch einen Schalter 70 an einer beliebigen Stelle auf Null bzw. auf eine vorgewählte Zahl gestellt werden, und zweitens kann der erste Zähler 75 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 mechanischen Aufbau des Meßwertaufnehmers, machen es möglich, das System durch aneinandergereihte Elektroden, die nacheinander elektrisch angeschlossen werden, so zu ergänzen, daß man größere Längen mit einer hohen Genauigkeit messen kann. F i g. 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 verschieben kann. Auf der ersten Fläche sind Elektroden 53 und 54 angebracht. Die eine Hälfte 53 der Elektroden wird direkt oder durch kapazitive Kopplung an den Vorverstärker 6 angeschlossen, die andere Hälfte der Elektroden 54 ist an die Masse gelegt. Die Anordnung ist so, daß jeweils zwischen zwei an den Vorverstärker angeschlossenen Elektroden 53 eine an Masse angeschlossene Elektrode 54 liegt. Es sei T die Distanz, die die Mitte zweier Elektroden, die an den gleichen Punkt angeschlossen werden, trennt. Auf der gegenüberliegenden Fläche kommen, auf einer T entsprechenden Strecke, je 2 N Elektroden, wobei N eine ganze Zahl ist. In Fi g. 6 ist z. B. /V = 5. Die 2 N Elektroden 31 bis 40 werden nun an die beiden, vorhin beschriebenen Wechselspannungen F₀₁ und F₀₂ so angeschlossen, daß jeweils N aufeinanderfolgende Elektroden an F₀₁ und die N nächsten Elektroden an F₀, angeschlossen sind. Dies geschieht durch die 2 N elektronischen Schalter 11 bis 20, die die 2 N Elektroden 31 bis 40 an die Wechselspannung F₀₁ anschließen, und die 2 N weiteren elektronischen Schalter 21 bis 30, die dieselben Elektroden 31 bis 40 an die Wechselspannung F₀₂ anschließen. Die Schalter 11 bis 30 werden nun so gesteuert, daß jeweils N aufeinanderfolgende Elektroden an dieselbe Wechselspannung angeschlossen sind, und somit elektrisch gesehen eine Elektrode der Länge γ bilden.

Die zweite Elektrode ist aus den N nächsten Elektroden gebildet usw. Für eine gegebene Zuteilung der Elektroden 31 bis 40 hat man also eine Meßlänge von T/N. Wird nun diese Meßlänge in einer gegebenen Richtung überschritten, wird die Zuteilung der Elektroden um eine Elektrode verschoben. Waren z. B. die Elektroden 33, 34, 35, 36, 37 an F₀₁, die Elektroden 38, 39, 40. 31, 32 an F₀₂ angeschlossen, und hat sich die Fläche, die die Elektroden 53 und 54 aufweist, relativ zu der Fläche, die die Elektroden 31 bis 40 aufweist, nach rechts verschoben, werden als nächstes die Elektroden 34. 35. 36. 37. 38 an F₀₁ und die Elektroden 39, 40, 31, 32, 33 an F₀₂ 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 Überlauf des im Regelteil oder im Analog-Digital-Wandler enthaltenen Zähler ein Puls, der den Aufwärts/Abwärts-Zähler J₁ um eine Einheit weiter zählen läßt. In anderen Worten sind beide Zähler einfach hintereinandergeschaltet. Der Zähler J₁ ist ein Λ'-stufigei Aufwärts/Abwärts-Johnson-Zähler.

F i g. 7 zeigt ein typisches Spannungsdiagramn eines Sstufigen Johnson-Zählers. Das Signal an M-Eingang bestimmt die Zählrichtung, dasjenige an C-Eingang die Zählfolge. F_n bis F₁₅ sind die an dei 5 Ausgängen gemessenen Spannungsverläufe. Dies> Ausgänge steuern nun einerseits die Schalter S₁₁ bi S₁₅ und S₂₆ bis S_so, und werden andererseits den In vertern 7, bis I₆ zugeführt, welche ihrerseits die Schal ter S_1n bis S_so und S₂₁ bis S₂₅ ansteuern. Dadurch ei gibt sich die gewünschte Anschlußkonfiguration de Elektroden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der Verschiebung einer Elektrode eines Differentialkondensatcrs relativ zu den anderen Elektroden, bei dem die beiden Elektroden mit Wechselspannungen beaufschlagt werden und die auf der einen Elektrode induzierte Spannung in eine rter Verschiebung proportionale Anzeigespannung umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (51, 52) abwechselnd mit zwei unterschiedlichen Referenz-Gleichspannungen (K₁, V.,) einerseits und mit der Anzeigespannung (F₀) andererseits beaufschlagt werden und daß über Rege!glieder(6, 7) die Anzeigespannung(!^/ ₀) deiart variiert wird, daß die auf der einen Elektrode (53) induzierte Spannung (K₃) Null wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektronische Schalter (1, 2, 3, 4) vorgesehen sind, welche die Referenzgleichspannungen (K₁, V„) und die Anzeigespannung (K₀) abwechselnd an die Elektroden (51, 52) legen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Referenz-Gleichspannungen Null ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (1 bis 4) Analog-Schalter in FeldefTekt-Bauart sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Elektrode (53) ein Vorverstärker (6) mit hoher Eingangsimpedanz über Kupplungsmittel nachgeschaltet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Regelglieder(6, 7) einen synchronen Demodulator(71), an welchen ein Integrator (72) angekoppelt ist. aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem dtr Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelglieder (6, 7) zwei mit entgegengesetzten Phasen angesteuerte Synchron-Demodulatoren aufweisen, deren Ausgänge über Kopplungsmittel an je einen Eingang eines Diliercnzinlegrators angeschlossen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelglieder (6, 7) aus einem Komparator (73). sowie einem diesem Komparator (73) nachgeschalteten digitalen Synchron-Demodulator (74) bestehen, dessen Ausgang an den die Zählrichtung bestimmenden Eingang eines Zählers (75) angeschlossen ist, welcher seinerseits ausgabeseitig an einen Digital-Analog-Konverler (76) angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch S. 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 jeuer beliebigen Stelle entweder auf Null oder auf eine beliebige Zahl einstellen kann, wobei an diesem Zähler (781 Ablese- oder Auswertungsmittcl (79) angeschlossen sind.

10. Vorrichtung nach einem der .Ansprüche Z

bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer der Flächen des Meßwert-Aufnehmers (5) eine Anzahl Elektroden (31 bis 40) gleicher Länge aufeinanderfolgen, die durch schaltungstechnische Mittel (11 bis 30) so angeschlossen werden, daß mehrere aufeinanderfolgende Elektroden (31 bis 40) eine Elektrode bilden, die sich der zu mesenden Verschiebung entsprechend verschiebt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Mittenabstand zwischen zwei Empfängerelektroden (53, 54) jeweils 2 N Geberelektroder. kommen, daß den einzelnen Geberelektroden (31 bis 40) durch elektronische Schalter (11 bis 30) eine der beiden Wechselspannungen (K₀₁, K₀.,) zugeführt wird, so daß immer eine ganze Zahl N aufeinanderfolgender Geberelektroden an eine der Wechselspannungen, die nächsten /V Elektroden an die andere Wechselspannung angeschlossen sind, und daß. wenn dk Grenzen einer Meßstrecke überschritten sind. sich die Spannungszuteilung dementsprechend um eine Elektrode verschiebt.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (11 bis 30) von einem, dem Zähler einesDigital-Analog-Wandlers angeschlossenen bi-direktionellen Johnson-Zähler über mehrere Inverter (V₁ bis /.) angesteuert werden.