-
Kapazitiver D3)fferential-WinkelFfl:ber Die'Erfindung bezieht sich
auf einen kapazitiven Differential-Winkelgeber. Derartige Geber dienen der Messung
eines Drehwinkels. Die Bestimmung dieses l;.rinkels erfolgt durch Messung der Differenz
zwischen einer proportional dem Drehwinkel abnehmenden und einer gleichzeitig proportional
diesem Winkel zunehmenden Kapazität.
-
Eine Ausführungsform eines derartigen Differential-Winkelgebers ist
aus dem "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen" von C. Rohrbach,
VDI-Verlag, Düsseldorf, 1967, Seite 154, bekannt. Der Geber weist dabei drei Kondensatorplatten
auf, von denen zwei in einer Ebene und symmetrisch bezüglich einer Normale dieser
Ebene angeordnet sind.
-
Die dritte Platte befindet sich in einer zur Ebene der beiden anderen
Platten parallelen Ebene und ist um die genannte Normale drehbar. Der bekannte Winkelgeber
besteht somit aus zwei Drehkondensatoren, deren Kapazitäten jeweils der Projektionsfläche
der drehbaren Kondensatorplatte und jeweils einer der beiden ortsfesten Platten
proportional sind.
-
Bei dem bekannten Differential-Winkelgeber übt die drehbewegliche
Platte infolge ihrer unsymmetrischen Lagerung und ihres Gewichtes ein Drehmoment
auf die Drehachse aus, das diesem Gewicht proportional is-t. Die Folge davon sind
Abnutzungserscheinungen der Lagerung der Platte. Dadurch kann die Auflösungsgenauigkeit
von insbesondere kleinen Drehwinkeln vermindert werden. Darüber hinaus kann es bei
dem bekannten Differential-Winkelgeber vorkommen daß sich die drehbeweglichte Platte
infolge ihres Eigengewichtes verbiegt. Dadurch
könnte eine Veränderung
der beiden genannten Kapazitätswerte in unkontrollierbarer Weise verursacht werden.
Zwar könnte man daran denken, die genannten Nachteile dadurch zu verbeiden, daß
man die drehbewegliche Platte zusätzlich an mehreren Stellen lagert. Damit verbunden
aber wäre ein erheblicher fertigungstechnischer Aufwand des Winkelgebers.
-
Bin weiterer Nachteil des bekannten Winkelgebers besteht darin, daß
er gegenüber Temperatureinflüssensehr fXpfindlich ist. Bei ungleichmäßiger Erwärmung
bzw. Abkühlung kann es vorkommen, daß sich die beiden zu messenden Kapazitätswerte
infolge ungleichmäßiger thermischer Ausdehnung der drei Kcndensatorplatten in unerwünschter
Weise verändern.
-
Der Brfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Differential-Winkelgeber
vorzuschlagen, der ein konstantes Winkelauflösungsvermögen besitzt und der gegenüber
Temperatureinflüssen wesentlich unempfindlicher als der bekannte ist.
-
Gemäß der Erfindung ist der kapazitive Differential-Winkelgeber dadurch
gekennzeichnet, daß er aus zwei bezüglich einer Achse symmetrischen Dreiplattenkondensatoren
besteht, deren Mittelplatten zu einer Einheit verbunden sind, in der Ebene der Achse
liegen und um diese drehbar sind, und daß die bezüglich dieser Achse diagonal gegenüberliegenden
Platten der Dreiplattenkondensatoren jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden
sind. Da die Drehachse der Mittelplatteneinheit durch deren Schwerpunkt verläuft,
übt die Mittelplatteneinheit keinerlei Drehmoment auf deren zweckmäßigerweise in
Richtung dieser Achse gelegene Lagerung aus. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen
Differential-Winkelgebers ist in dem gegenüber dem bekannten Winkelgeber erhöhten
Auflösungsvermögen des zu bestimmenden Drehwinkels gegeben. Die Ursache dafür ist
darin zu sehen, daß jede der beiden zu messenden Kapazitäten des erfindungsgemäßen
Differential-
Winlrelgebers, die der Kapazität zwischen der MittelpTatteneinheit
und jeweils einem Diagonalplattenpaar gleich ist, aus zwei gleichen und in gleicher
Weise proportional dem Drehwinkel veränderlichen Kapazitäten zusammengesetzt ist.
-
Unter der zuletzt genannten Kapazität ist dabei die Kapazität zwischen
der Mittelpiatteneinheit und jeweils einer Platte des Diagonalplattenpaares zu verstehen.
-
Das von dem erfindungsgernäßen Differential-Winkelgeber gelieferte
Meßsignal kann die Differenz der Kapazitätswerte zwischen der Mittelplatteneinheit
und jeweils einem Paar einander diagonal gegenüberliegender Platten sein. Besonders
vorteilhaft aber ist es, die beiden Dreiplattenkondensatoren in einer Hälfte einer
Brückenschaltung anzuordnen. Sieht man nämlich in der zweiten Hälfte der Brückenschaltung
zwei gleiche elektrische Bauteile, z. B. Wechselstrom-Widerstände gleicher Größe
vor, so führt jede Verdrehung der Mittelplatteneinheit zu einer dem Drehwinkel proportionalen
Verstimmung der Brücke, die in deren Diagonale, d. h. zwischen der Mittelplatteneinheit
und dem Mittelpunkt der zweiten Brückenhälfte, abgegriffen werden kann. In diesem
Fall ist somit eine Eapazitätsmessung nicht erforderlich.
-
Der erfindungsgemäße kapazitive Differential-Winkelgeber eignet sich
aufgrund seiner hohen Winkelauflösung besonders zur Bestimmung kleiner Winkel. Derartige
Winkel treten beispielsweise bei als Nullinstrumente arbeitenden Winkelgebern -auf.
Unter derartigen Instrumenten sind Winkelgeber zu verstehen, bei denen der Einfluß
einer eine Verdrehung des drehbeweglichen Teiles des Gebers hervorrufenden Größe
durch eine zweite Größe kompensiert ist. Diese bewirkt eine der Wirkung der ersten
Größe entgegengesetzt gleiche Verdrehung dieses Teiles. Außerdem kommt der Einsatz
des erfindungsgemäßen Winkelgebers z. B. zur Bestimmung von Drehmomenten sowie von
Torsionsmoduln in Betracht.
-
Von besonderem Vorteil ist der erfindungsgemäße Differential-Winkelgeber
bei Anwendung als Null indikator in einem Magnetometer. Dabei it die Mittelplatteneinheit
mit einen)magnetischen Indikator versehen, der ein konstantes, senkrecht zur Drehachse
der einheit gerichtetes magnetisches Monient aufweist. Dieses Magnetometer eignet
sich sowohl zur Messung kleiner I4agnetfelder als auch zur Messung der Variation
eines um einen MBSelwert schwankenden Magnetfeldes. In dem zuletzt genannten Fall
ist es erforderliche die Wirkung des Mittelwertes des zu messenden Magnetfeldes
durch eine ein Gegendrehmoment erzeugende Vorrichtung, z. B. durch zwei in der Achse
der Mittelplatteneinheit verlaufende, in geeigneter Weise tordierte Spannfäden,
zu kompensieren.
-
In den Figuren 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
-
Es zeigen Fig. 1 den konstruktiven Aufbau eines als Magnetometer zur
Messung der Variation eines Magnetfeldes ausgebildeten erfindungsgemäßen Differential-Winkelgebers,
Fig. 2 die Schaltung des in Fig. 1~dargestellten Magnetometers.
-
Das in Fig. 1 dargestellte Magnetometer dient zur Messung der Variation
eines in Richtung des eingezeichneten Pfeiles verlaufenden Magnetfeldes. Es besteht
aus einem ein konstantes magnetisches Moment aufweisenden magnetischen Indikator
1 und zwei Dreiplattenkondensatoren 2, 3. Die beiden Mitteiplatten 4, 5 dieser Kondensatoren
2, 3 sind mit dem Indikator 1 zu einer Einheit verbunden, die an zwei gespannten
metallischen Torsionsfeden 6, 7 aufgehängt ist. Die Richtungen des magnetischen
Moments des Indikators 1, der Torsionsfäden 6, 7 sowie des zu messenden Feldes stehen
jeweils senkrecht aufeinander.
-
Die einander diagonal gegentiberliegenden Platten 8, i1 bzw.
-
9, 10 der beiden Dreiplattenltondensatoren 2, 3 sind jeweils elektrisch
leitend miteinander verbunden. Jede Verdrehung der Mittelplatteneiiiheit 1, 4, 5
führt zu einer dem Drehwinkel proportionalen Änderung der Kapazität zwischen der
Mittelplatteneinheit 1, 4, 5 und dem Diagonalplattenpaar 8, 11 sowie einer entsprechenden,
dieser Veränderung entgegengesetzt gleichen Veränderung der Ixapazitat zwischen
der Mittelplatseneinheit 1, 4, 5 und dem Diagonalplattenpaar 9, 10.
-
In der Figur ist ferner ein Helmholtz-Spulenpaar 12, 12' dargestellt,
das mit einem konstanten Strom, der ein den Mittelwert des zu messenden Magnetfeldes
kompensierendes Gegenfeld erzeugt, erregt ist. Damit ist das auf den magnetischen
Indikator wirkende Magnetfeld der Abweichung des zu messenden Magnetfeldes von seinem
Mittelwert gleich. Jede Abweichung ruft eine dazu proportionale Verdrehung der Mittelplatteneinheit
hervor, die mittels der in Fig. 2 dargestellten Schaltung gemessen werden kann.
-
Fig. 2 weist eine von einem Wechselspannungs-Oszillator 14 gespeiste
Brückenschaltung 15 auf. In einer Brückenhälfte befinden sich dabei zwei konstante
Wechselstrom-Widerstände 16, 17 gleicher Größe, während in der anderen Brückenhälfte
das Magnetometer angeordnet ist Dieses weist zwei in entgegengesetztem Sinne veränderliche
Kapazitäten C1 und C2 auf. Dabei ist C1 die Kapazität zwischen der drehbaren Mittelplatteneinheit
1, 4, 5 und den beiden Diagonalplatten 8, 11, während C2 die Kapazität zwischen
dieser Mittelplatteneinheit und den beiden Diagonalplatten 9, 10 ist. Die in der
Diagonale 18 der Brückenschaltung 15 zu messende Verstimmung der Brücke ist dem
Drehwinkel der Mittelplatteneinheit proportional.
-
2 Figuren 3 Ansprüche