DE2539212C2 - Einrichtung zur kapazitiven Längen- oder Dickenmessung - Google Patents
Einrichtung zur kapazitiven Längen- oder DickenmessungInfo
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Description
— daß die Meßfühleranordnung zwei Meßfühler umfaßt, denen als Anregungssignale Wcchselstromsignale
unterschiedlicher Frequenz zuführbar sind, derart, daß das Potential des Meßobjektes
periodisch mit der Frequenz, der beiden Frequenzen um einen festen Wert (z. B.
Null) schwankt,
— daß eine Schaltung (20) zur additiven oder subtraktiven Überlagerung der Augangssignale
der beiden Meßfühler (14, 16) vorgesehen ist, und daß der Ausgang dieser Schaltung (28) mit
einem Spitzenwertdetektor (32) verbunden ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
— daß die Meßfühleranordnung zwei Meßfühler (84, 104) umfaßt, denen als Anregungssignale
alternierende elektrische Signale entgegengesetzter Polarität zuführbar sind,
— und daß das von diesen Signalen am On des Meßobjektes erzeugte elektrische Feld dieses
auf ein festes Potential (z. B. Erdpotential) bringt.
4. l.inrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Meßfühler (14, 16) auf gegenüberliegenden Seiten des Meßobjekts angeordnet
sind und daß der von dem Spitzenwertdetektor (32) abnehmbare Scheitelwert der überlagerten
Ausgangssignalcder beiden Meßfühler ein die Dicke des Meßobjekts kennzeichnendes Signal darstellt.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den Frequenzen
der Anregungssignale dienenden Wechselstromsignale
klein ist im Vergleich zu deren Frequenz.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Meßfühlern
Linearisierungsschakungen (24, 26 bzw. 90, 108) nachgeordnet sind, mittels derer die Ausgangssignale
der Meßfühler derart beeinflußbar sind, daß ein Ausgangssignal gewonnen wird, das dem Abstand
zwischen Meßobjekt und Meßfühler direkt proportional ist
7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der durch die Kapazitäten zwischen den ersten bzw. dem zweiten Meßfühler (14,16 bzw.
84,104 bzw. 114, 116J und dem Meßobjekt (12) fließende
Strom derart regelbar ist, daß das Potential an dem Meßobjekt auf einem vorbestimmten Wert gehalten
wird, wobei die genannten Ströme gleiche Größe und entgegengesetzte Phasenlage besitzen.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß den beiden Meßfühlern (14,16) Wechselspannungssignale entgegengesetzter Polarität zuführbar
sind, deren Amplitude durch Steuersignale modulierbar ist, die von den Ausgangssignalen der
Meßfühler dadurch abgeleitet werden, daß diese Ausgangssignale auf einem im wesentlichen konstanten
Signalpegel gehalten werden.
9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Korrekturschaltung
(174, 178,180; 176,190,192) vorgesehen
sind, mittels derer Anzeigeabweichungen erster bzw. zweiter Ordnung unabhängig voneinander
kompensierbar sind.
40 Die Erfindung betrifft eine Einrichtung der im Gattungsbegriff
des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art.
Die Messung von Längen oder Dicken durch Kapaz.itälsbcstimniung
ist vergleichsweise unproblematisch.
wenn die Kapazität gegenüber einem elektrisch leitenden Gegenstand gemessen wird, der eine vorgegebene
Polentialbez.iehung zu einem Bcz.ugspoteniial, z. B. Erde,
aufweist. Wesentlich schwieriger ist die Abstandsbestimmung, wenn es sich um Gegenstänce handelt, die
eine sehr hohe Impedanz, aufweisen und deren Potentialbcziehung
zu dem Bezugspotential daher nicht ohne weiteres festlegbar ist. Ein Beispiel hierfür sind Abstandsmessungen
an Halbleitermaterialien oder an sich bewegenden Folien. Die erwähnten Probleme resultieren
daraus, daß in realen Meßschaltungen aufgrund der Undefinierten Potentialverhältnisse kapazitive Spannungsteilung
auftritt, die das Meßergebnis in unkontrollierbarer Weise beeinflußt.
Bei der in der DE-PS 8 11 163 beschriebenen Anordnung
zur Dickenmessung sind sowohl die Meßschaltung als auch das Meßobjekt erdsymmetrisch angeordnet.
Das Meßobjekt soll eine definierte Polcntialbeziehung dadurch erhalten, daß es zwischen Einlauf- und Aushiufwalz.en
geführt ist. die mil I jdpotential verbunden sind.
h·; Hs wird unterstellt, daß dadurch auch die das Mcßobjckt
bildende Folie geerdet ist. Abweichungen von der Erdsymmetrie führen unvermeidlich zu Verfälschungen des
Meßergebnisses. Dasselbe jiilt für eine relative Lagcän-
derung zwischen Meßobjekt und Meßfühlerelektroden.
Zudem isl nicht erkennbar, wie erreicht werden kann,
daß das Meßobjekt am Ort der Meßfühlerelektroden tatsächlich Erdpotential aufweisen kann, wenn seine Impedanz
sehr hoch ist
Durch die DE-AS 10 50 555 ist eine Einrichtung zur elektrischen Dickenmessung bekannt, bei der das Meßobjekt
zwischen die beiden Platten eines Kondensators gebracht wird. Dabei beeinflußt das Meßobjekt die Kapazität
dieses Kondensators, und es werden aus der Kapazitätsänderung
Rückschlüsse über die Dicke des von dem Meßobjekt gebildeten zusätzlichen Dielektrikums
gezogen. Der Kondensator ist Bestandteil einer Brükkenschaltung, deren Ausgangssignal getaktet wird. Die
Verstimmung des Brückengleichgewichts wird durch veränderbare Kapazitäten kompensiert, deren Kapazitätsänderung
sodann als Maß für die Dicke des Meßobjekts herangezogen wird.
Es ist für die beiden vorerwähnten Anordnungen kennzeichnend, daß das Meßobjekt bzw. die es tragende
Kondensatoranordnung mit nur einem MeSsignaf beaufschlagt wird, daß also nur ein Meßfühler vorgesehen
■st. Dies gilt auch für die durch die US-PS 38 05 150 bekannt gewordene Einrichtung. Bei all diesen Einrichtungen
ergeben sich aufgrund der infolge der hohen Impedanz des Meßobjekts Undefinierten Potentialbeziehung
desselben Probleme, die eine genaue und reproduzierbare Längen- bzw. Dickenbestimmung beeinträchtigen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kapazitive Längen- oder Dickenmessung auch dann psnau
und reproduzierbar vornehmen zu können, wenn das Meßobjekt eine sehr hohe Impedanz besitzt.
Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weilerbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf
die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen wird.
Im Gegensatz zu den oben erwähnten bekannten Einrichtungen,
bei denen das Meßobjekt mit nur einem Meßsignal beaufschlagt wird, werden bei der Einrichtung
gemäß der Erfindung zwei Meßfühler verwendet, die mil unterschiedlichen, gegeneinander frequenzodcr
phasenverschobenen, »Anregungs«-Signalcn beaufschlagt werden. Die Schwierigkeiten, die sich daraus
ergeben, daß das Meßobjekt aufgrund fehlender Erdung und/oder sehr großer Impedanz eine unbestimmte
Beziehung zum Erdpotential und damit zu den Schaltungselementen der Auswerteschaltung hat, werden dadurch
beseitigt, daß es durch die genannten Anregungen in einen definiert schwankenden oder einen definiert
festen Potentialzustand gebracht wird.
Das definiert schwankende Potential wird gemäß Patentanspruch 2 dadurch erzeugt, daß den beiden Meßfühlern
Wechselspannungen leicht unterschiedlicher Frequenz zugeführt werden, weiche bewirken, daß das
Potential am Meßobjekt in regelmäßigen Zeitabständen durch Null (Erdpotential) geht. Wenn nun die Messung
in diesen Zeitpunkten ausgeführt wird, ist der Einfluß der Impedanz des Meßobjekts gegenüber dem Erdpotenlial
eliminiert.
Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung des Aul'baus einer kapazitiven Meßeinrichtung für ungeerdete Meßobjekte,
F i υ. 2 ein schcmatischcs Blockschaltbild einer ersten
Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung,
Fig.4 ein Schaltbild eines Meßfühlers zur Verwendung
in einer Dickenmeßeinrichtunß,
F i g. 5 eine schematische Abbildung des Meßeinrichtungsaufbaus mit mehreren Meßfühlern als weitere Anwendungsmöglichkeit
für die Einrichtung gemäß F i g. 3.
F i g. 6 ein Rückkopplungs-Linearisiei-u-.igssystem zur
to Verwendung mit einer zwei Meßfühler enthaltenden kapazitiven Dickenmeßeinrichtung gemäß F i g. 3,
F i g. 7 ein schematisches Schaltbild einer kapazitiven
Dickenmeßeinrichtung mit einer zur Linearisierung dienenden Rückkopplung,
is F i g. 8 ein schematisches Schaltbild einer Einstelleinrichtung
zur Verminderung der Abweichungen von im allgemeinen erster und zweiter Ordnung in einer kapazitiven
Dickenmeßeinrichtung und
F i g. 9 eine graphische Darstellung von charakteristisehen Abweichungen erster und zweiter Ordnung in
einer kapazitiven Dickenmeßeinrichtung.
Die hier vorgeschlagene Einrichtung ist eine berührungslos arbeitende kapazitive Längen- oder Dickenmeßeinrichtung
mit einer Mehrfühleranordnung zur Be-Stimmung des Abstandes zu einem Gegenstand, welcher
eine beträchtliche Impedanz gegenüber Erde oder einem anderen Bezugspotential aufweist. Ein spezielles
Beispiel ist die Dickenmessung, doch ist eine Einrichtung der hier vorgeschlagenen Art nicht auf diesen Verwendungszweck
beschränkt.
In F i g. 1 ist eine Folie 12 als Werkstück oder Gegenstand
angedeutet, dessen Dicke t durch zwei kapazitive Meßfühler 14 und 16 bestimmt werden soll, die auf einander
gegenüberliegenden Seiten der Folie 12 angeordnet sind. Die Meßfühler 14 und 16 vermögen die jeweiligen
Abstände A und B von den betreffenden Meßfühlern zu dem Gegenstand 12 hin kapazitiv zu bestimmen,
woraus sich die Dicke t des Elementes bei Berücksichtigung des festliegenden, bekannten Abstandes zwischen
den Meßfühlern 14 und 16 bestimmen läßt.
Wenn, wie in F i g. 1 gezeigt, der an der Messung beteiligte Gegenstand 12 nicht elektrisch mit Erde verbunden
ist, sondern gegenüber Erde eine feste oder veränderliche, hier als Kapazität 18 angedeutete Impedanz
hat, so kunn das elektrische Potential des Gegenstandes
12 vom Nullpotential abweichen. Außerdem kann der Gegenstand 12 aus einem Material hoher Impedanz bestehen,
so daß selbst bei Erdung des Gegenstandes beträchtliche Potentialschwankungen auftreten können.
Nachdem bei der klassischen kapazitiven Abstandsmessung angenommen wird, daß der Gegenstand, dessen
Abstand kapazitiv bestimmt wird, sich auf einem festen, genau definierten Potential befindet, bewirkt das Auftreten
von Potentialschwankungen Fehlmessungen und Unsicherheiten. Um dies noch deutlicher zu machen, sei
angenommen, daß beispielsweise die Meßfühler 14 und 16 mit einer elektrischen Wechselspannung jeweils gleicher
Frequenz angeregt werden, um die wirksame Kapazität über die Abstände A und B hinweg zu messen.
Wegen des Vorhandenseins der Kapazität 18 wirkt der Gegenstand 12 als Teil eines kapazitiven Spannungsteilers,
und sein Potential würde mit einem bestimmten (veränderlichen oder gleichbleibenden) Prozentsatz des
elektrischen Anregungssignals schwanken, welches durch die Fühler 14 und 16 eingeführt wird. Nimmt man
an, daß der Gegenstand 12 solche Form hat, daß die Kapazität 18 einen hohen Impedanzwert darstellt, so
wäre die Süannune des Gegenstandes 12 ein erolierTeil
oder Prozentsatz der den Meßfühlern aufgeprägten Spannung. Die resultierende Verminderung der Spannung
an den Spalten A und B würde auch die Ströme der Meßfühler 14 und 16 vermindern, die angezeigte
Entfernung würde bedeutend größer und die ermittelte Dicke scheinbar bedeutend geringer.
Es isi möglich, das Potential des Gegenstandes 12 als
Funktion der Anregungsspannungen bzw. der elektrischen Wechselpotentiale auszudrücken, welche den
Meßfühlern 14 und 16 aufgeprägt werden. Im allgemeinen Falle ist anzunehmen, daß die Meßfühler 14 und 16
nicht mit einer elektrischen Wechselspannung gleicher Frequenz, sondern mit etwas unterschiedlichen Frequenzen
angeregt werden. Demzufolge ist das Potential an dem Gegenstand 12 durch folgende Gleichung darzustellen:
cos — ((U0-S)4) t + (Kb-Ka) sinwr,
worin Kj und Kt, Konstanten sind, durch welche Verluste
in der Schaltung, Verstärkungsfaktoren und anfängliche Signalpegel berücksichtigt werden. Ferner sind &»„
und (Ob die Kreisfrequenzen der Anregungsspannung für
die Meßfühler, ω, « Wb « ω.
Wird angenommen, daß A « B, was bedeutet, daß
der an der Messung beteiligte Gegenstand sich in der Mitte zwischen den Meßfühlern befindet, so geht die
Umhüllende der Schwingung, welche von dem Potential V, gebildet wird, durch Null mit einer Geschwindigkeit
oder einer Frequenz, welche der Differenzfrequenz aus den beiden anregenden Schwingungen entspricht. Es
wird nun vorgeschlagen, diese Erscheinung dazu zu verwenden, daß eine Messung der Abstände A und B genau
in demjenigen Zeitpunkt vorgenommen wird, in welchem die Umhüllende der Spannung V, gleich Null ist.
Ein Schaltungssystem, welches diese Aufgabe erfüllt, ist in F i g. 2 gezeigt. Ein erster und ein zweiter Meßfühler
sind wieder mit 14 bzw. 16 bezeichnet und nehmen elektrische Schwingungen einer ersten bzw. einer zweiten
Frequenz von jeweils zugehörigen Oszillatoren 20 bzw. 22 auf. Der Aufbau der Meßfühler 14 und 16 und die Art
ihrer Anregung können beispielsweise der US-Patentschrift 38 05 150 entnommen werden. Es sei jedoch darauf
hingewiesen, daß kapazitive Meßfühler anderen Aufbaus ebenfalls verwendet werden können. Zweckmäßig
werden die Ausgangssignale der Meßfühler 14 und 16 durch jeweils zugehörige Linearisierungsschaltungen
24 bzw. 26 beführt, die Näherungsschaltkreise, welche mit einem Diodendurchbruchspunkt arbeiten,
enthalten, die in der Technik bekannt sind und die Aufgabe haben, die Tatsache zu kompensieren, daß bei einer
kapazitiven Entfernungsmessung sich das Ausgangssignal in umgekehrter Abhängigkeit von der Entfernung
ändert Die Ausgänge der Linearisierungsschaltungen 24 und 26 werden zusammen einer Schaltung 28
zur Summen- oder Differenzbildung zugeführt, wobei diese Schaltung mittels eines Wählers 30 steuerbar ist
um ein Ausgangssignal zu erhalten, welches entweder die Summe oder die Differenz der Eingangssignale darstellt
Die Schwingung am Ausgang der Schaltung 28 hat charakteristischerweise die Gestalt wie sie durch die
obige Gleichung für die Spannung V1 angegeben ist jedoch
mit der Ausnahme, daß die Umhüllende ein positives Maximum besitzt wenn die Umhüllende der Spannung
V, Null ist wenn der Summenausgang oder der Differenzausgang der Schaltung 28 gewählt-wird. Der
Ausgang der Schaltung 28 wird einem Scheitelwertdetektor 32 zugeführt, welcher ein positives Maximum der
Umhüllenden des von der Schaltung 28 gelieferten Signals ausgewählt. In diesem Moment ist die Spannung
V, zu Null geworden und die Ablesung oder Anzeige des Scheitelwertdetektors 32 liefert ein richtiges Maß für
die Dicke des Gegenstandes 12 aufgrund der zu diesem Zeitpunkt existierenden, scheinbaren Erdung dieses Gegenstandes.
Der Schcitelwcrtdetektor 32 enthält einen Differentialverstärkcr
34, dessen invertierendem Eingang die Ausgangssignale der Schaltung 28 über einen Widerstand
36 zugeführt werden. In der Verbindung von dem invertierenden Eingang des Differentialvcrstärkers 34
zu seinem Ausgang liegt eine in Sperrichtung gepolte Diode 38. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers
34 ist über einen Widerstand 40 geerdet. Die Ausgangssignalc
des Diffcrentialverstärkers 34 gelangen
über eine in Speri ichtung mit Bezug auf den Ausgang gepolte Diode 42 zu dem nichtinvertierenden Eingang
eines weiteren Differentialverstärkers 44. Außerdem hat dieser Verstärkereingang über die Parallelschaltung
eines Widerstandes 46 mit einem Kondensator 48 Verbindung zur Erde. Der Ausgang des Differcntialverstärkers
44 liefert die Ausgangsanzeige bezüglich der Dicke oder Stärke des Gegenstandes 12 und ist zu dem invertierenden
Eingang des Differentialverstärkers 44 und außerdem über einen Widerstand 50 zu dem invertierenden
Eingang des Differentialverstärkers 34 rückgekoppelt. Die vorstehend erwähnte Parallelschaltung des
Widerstandes 46 und des Kondensators 48 dient zur Frequenzeinstellung des Scheitelwertdetektors 32, um
einen Abfall des Scheitelwertcs mit einer ausreichend großen Geschwindigkeit zu erreichen, um den Änderungen
der Abmessungen des zu untersuchenden Gegen-Standes folgen zu können, wobei jedoch der Abfall langsam
genug sein soll, damit er nicht den Änderungen der Umhüllenden mit der Differenzfrequenz
folgt. Die Frequenzen der Schwingungen der Oszillatoren 20 und 22 liegen beispielsweise im Bereich von
3 MHz, und die Differenzfrequenz kann beispielsweise im Bereich von einigen 10 kHz liegen.
F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der hier vorgeschlagenen Meßeinrichtung, bei welcher anstelle
einer Untersuchung der Fühlersignale im Moment, in welchem das Potential des an der Messung beteiligten
so Gegenstandes Null ist, die Schaltung so ausgebildet ist, daß den Fühlern 14 und 16 in solcher Weise Signale
zugeführt werden, daß das Potential an dem Gegenstand Ϊ2 auf einem bestimmten Wen gehalten wird, im
vorliegenden Falle auf Null. Zu diesem Zwecke ist ein einziger Oszillator 56 vorgesehen, der mit ihren Basiselektroden
jeweils zusammengeschaltete Transistoren 58 und 60 enthält deren Kollektorelektroden über eine
erste und eine zweite Transformatorwicklung eines Transformators 62 zur Bildung einer Rückkopplung mit
weiteren Transformatorwicklungen verbunden sind, die in Reihe in den Emitterkreisen der genannten Transistoren
liegen. Die Kollektoren sind zusätzlich über zueinander parallel geschalteten Kondensatoren 64 und 66
miteinander verbunden, von denen der Kondensator 66 einstellbar ist und daher eine Frequenzeinstellung erlaubt
Ein Basisvorspannwiderstand 68 für die Transistoren 58 und 60 stellt die Verbindung zu einer Anschlußklemme
70 für eine Spannungsquelle her. Auch die Ver-
bindung zwischen den an die Kollektoren angeschlossenen Wicklungen des Transformators 62 hat über eine
Drosselspule 74 Verbindung mit der genannten Anschlußklemme 70.
Eine Sekundärwicklung des Transformators 62 ist auf einer Seite geerdet, während die andere Seite den Osz.illatorausgang
bildet. Dieser Ausgang ist auf zwei Leitungen aufgeteilt, die über Kabel 76 und 78 zu den jeweiligen
Fühlerschaltungen führen. Die Wechselstrom-Anregungsspannung von dem Kabel 76 gelangt zu der Primärwicklung
eines Transformators 80, wobei die jeweils andere Klemme der Wicklung geerdet ist. Die Sekundärseite
des Transformators 80 besitzt zwei Wicklungen, deren jeweils eine Klemme mit einem Fühler 84
verbunden ist, während die jeweils anderen Klemmen dieser Sekundärwicklungen wechselstrommäßig über
die Kondensatoren 86 bzw. 88 geerdet sind. Ein von dem Fühler geliefertes Gleichstromsignal gelangt über eine
Linearisierungsschaltung 90 zu einem Wähler 92 zur Auswahl der Summenbildung, Differenzbildung oder
der Bildung beider Signale, worauf weiter unten noch näher eingegangen wird.
Der Fühler 84 kann einen Aufbau haben, wie er etwa
in der US-Patentschrift 38 05 150 beschrieben ist. Dabei
kann anstelle der in Fig.4 gezeigten kapazitiven Ankopplung
auch eine induktive Ankopplung verwendet werden. In diesem Falle wird das Ausgangssignal des
Transformators innerhalb des Fühlers 84 unmittelbar an eine Diagonale einer Diodenbrücke 94 gelegt. An die
andere Diagonale der Brücke 94 sind eine Bezugskapazität % bzw. die Fühlerkapazität oder Meßkapazität 98
(Ca) angeschlossen, welche die Kapazität zu dem an der Messung beteiligten Gegenstand 12 enthält.
Aus F i g. 4 ist zu entnehmen, daß die kapazitive Ankopplung
gemäß der vorstehend erwähnten Patentschrift 38 05 150 leicht in gleicher Weise unter Verwendung
der Kondensatoren 93 und 95 durchführbar ist, welche an eine Seite einer einzigen Transformator-Sekundärwicklung
angeschlossen werden, wobei die Transformatoren dazu dienen, eine Phasenumkehr zwischen
den Fühlern zu erreichen, und indem das Ausgangssignal über die Impedanzen 97 und/oder 99 von
der Diodenbrückenschaltung 94 abgenommen wird.
Die über das Kabel 78 zugeführten Signale gelangen über die Primärwicklung eines Transformators 100 zu
einer Fühlerschaltung. Die Sekundärscite des Transformators 100 enthält wieder zwei Sekundärwicklungen,
deren eine Seite jeweils an einen Fühler 104 angeschlossen ist, um den Abstand B kapazitiv berührungslos zu
messen. Die jeweils anderen Klemmen der beiden Sekundärwicklungen sind über die Kondensatoren 105
bzw. 106 wechselstrommäßig geerdet, während das Gleichstromsignal, welches zwischen ihnen auftritt,
über eine Linearisierungsschaltung 108 zu der oben schon erwähnten Wählerschaltung 92 gelangt. Die
Schaltung 92 wird durch einen Wähler 110 gesteuert, um
an das Meßgerät 112 ein Signa! zu geben, das entweder
der Summe oder der Differenz oder einem der Signale der Linearisierungsschaltungen 90 und 108 entspricht
Einen nur einpoligen Eingang zu den Linearisierungsschaitungen
90 und 108 erhält man, indem man eine Parallelschaltung zu den Kondensatoren 86 und 104
vornimmt, was für die unten beschriebene Schaltung zweckmäßig sein kann.
Anhand von F i g. 3 läßt sich erkennen, daß die zu den
Primärwicklungen der Transformatoren 80 und 100 gelangenden Signale bewirken, daß zu den Fühlern 84 und
104 Signale gelangen, welche genau mit 180" in Gegenphase
sind, so daß die Spannung, welche dem Gegenstand 12 von den Fühlern aufgeprägt wird, jeweils um
180° außer Phase ist. Wenn also die Kapazitäten Ca und Gj nahezu gleich gemacht werden, bleibt die Spannung
am Orte des Gegenstandes 12 nahe Null. Zwar können Störungen in Abweichung von diesem Idealzusuind auftreten,
doch sind diese Störungen normalerweise klein und bewirken eine kleine resultierende Abweichung in
dem Ausgangswert, welcher in dem Meßgerät 112 angezeigt
wird. Mit der in Fig.3 gezeigten Schaltungen kann also erreicht werden, daß das Potential an dem
Gegenstand 12 nahe dem Erdpotential gehalten wird, wodurch Störungen in der Dickenmeßgenauigkeit vermieden
werden.
In Fig. 5 ist in allgemeiner Form ein System mit mehreren
Fühlern gezeigt, woraus zu ersehen ist, daß die hier vorgeschlagene Einrichtung in beliebigen Meßsystemen
verwendbar und nicht auf die Dickenmessung beschränkt ist, wobei zwei oder mehrere Fühler, insbesondere
Anordnungen einander gegenüberstehender Fühler zur Anwendung kommen, um Messungen an einem
ungeerdeten Gegenstand oder einem Gegenstand hoher Impedanz vorzunehmen. Das vorgeschlagene
Prinzip kann in den Fällen verwendet werden, in welchen nur eine einzige Fühleranzeige zur Auswertung
erzeugt werden soll. Man setzt dann ein oder mehrere zusätzliche Fühler ein, um Meßfehler oder Abweichungen,
die auf dem nicht definierten Potential des an der Messung beteiligten Gegenstandes beruhen, weitgehend
oder vollständig auszuschließen. Das Prinzip der Schaltung nach Fig.3 zur Aufrechterhaltung eines
Nullpotentials am Orte des an der Messung beteiligten Gegenstandes 12 hat daher weitreichende Bedeutung.
Eine Weiterbildung der in F i g. 3 gezeigten Schaltung bedient sich einer Rückkopplungstechnik zur Linearisierung
der Ausgangssignale der Fühler. Ein solches Rückkopplungssystem ist in F i g. 6 gezeigt. Dabei werden
zwei kapazitive Fühlersysteme 114 und 116 durch
eine Oszillator 117 angeregt, dessen elektrisches Ausgangs-Wechselpotentiai
mittels eines Verstärkers 118 gesteuert wird. Der Oszillator 117 kann dem in Fig.3
mit 56 bezeichneten Oszillator entsprechen, wobei der Ausgang des Verstärkers 118 mit dem Leistungscingang
des Oszillators verbunden ist. Die Fühlersysteme 114 und 116 nach Fig.6 entsprechen dann den übrigen
Schaltungsteilen gemäß F i g. 3 vom Oszillator 56 bis zu den Fühlern 84 und 104 unter Einschluß derselben, jedoch
ohne die nachgeschaltetei; Linearisierungsschaltungen
oder weitere Schaltungsteile.
so Der Verstärker 118 nimmt an einem nichtinvertierenden
Eingang ein konstantes Gleichspannungspotential einer Spannungsquelle 120 auf, während dem invertierenden
Eingang das Ausgangssignal einer analogen Divisionsschaltung 122 zugeführt wird. Die Divisionsschal-
5i tung 122 empfängt an einem Eingang für den Nenner
das Ausgangssignal des Verstärkers 118 und an einem Eingang für den Zähler das Ausgangssignal einer analogen
Multiplikationsschaltung 124, deren Eingängen die Ausgangssignale der Fühlersysteme 114 und 116 zugeführt
werden. Dia Dicken-Ausgangsanzeige kann von einer Summationsschaltung 126 abgenommen werden,
welche die Ausgangssignale der Fühlersysteme 114 und
116 addiert Die Rückkopplungsschaltung nach Fig.6
bewirkt eine Steuerung der Amplitude der Anregungsspannung für die Fühlersysteme 114 und 116 in solcher
Weise, daß der Ausgang der Divisionsschaltung 122, welcher proportional zu dem Produkt der Ausgangssignale
der beiden Fühlersysteme ist, einen konstanten
Wert behält. Unter diesen Umständen ist der Ausgang der Summationsschaltung 126 direkt proportional zur
Dicke, welche gemessen wird, während bei bekannten, berührungslos arbeitenden, kapazitiven Meßeinrichtungen
hierfür eine umgekehrte Proportionalität charakteristisch ist.
Eine weitere Ausbildung der Rückkopplung kann in ähnlicher Weise, wie in der US-Patentschrift 37 75 679
beschrieben, aufgebaut sein. Aus F i g. 7 ist zu erkennen, daß eine Flip-Flop-Schaltung 130 mit konstanter Taktfrequenz
beaufschlagt wird und eine einzige Frequenz eines Wechselstroms zur Anregung der beiden Fühler
liefert. Die Ausgangssignale jeweils entgegengesetzter Polarität der Flip-Flop-Schaltung 130 gelangen über
Pufferverstärker 132 zu Basisanschlüssen von Transistoren 34 und 36. Die Emitter dieser Transistoren sind
über eine Diode 138, welche der Vorspannung dient, mit Erde verbunden, während die Kollektoren über einen
Kondensator 140 verbunden sind, der parallel zu dualen Wicklungen eines Transformators 142 geschaltet ist. Die
Mittelanzapfung der soeben genannten Wicklungen des Transformators ist über eine Drosselspule 144 eine
Gleichstromquelle für die Transistoren 134 und 136. Wie weiter unten genauer ausgeführt wird, wird der Gleichspannungspegel
so reguliert, daß eine Amplitudenregelung der Ausgangsspannung des Transformators 142 an
der Sekundärwicklung erreicht wird, die parallel zu einem Abstimmkondensator 146 liegt und ihre Ausgangs-
-.pannung an den Fühler 14 liefert. Der Fühlerausgang
des Fühlers 14 wird einem Eingang eines Differentialverstärkers 148 zugeführt, zu dessen anderem Eingang
eine Signalspannung konstanter Amplitude gelangt, so daß der Ausgang als Steuersignal für die Gegentaktmodulation
verwendet werden kann, weiche von den Transistoren 134 und 136 vorgenommen wird, um dem Fühler
14 einen konstanten Eingangsstrom zuzuführen.
Man erkennt aus Fig.7 bezüglich des Fühlers 16 einen
symmetrischen Schaltungsaufbau. Im einzelnen werden die Ausgangssignaie entgegengesetzter Polarität
der Flip-Flop Schaltung 130 außerdem über weitere Pufferverstärker 132 mit entgegengesetztem Vorzeichen
an die Basis weiterer Gegentakt-Modulationstransistoren 150 und 152 geführt, deren Emitteranschlüsse
durch eine mit Erde verbundene Diode 154 vorgespannt sind. Die Kollektoren der Transistoren 150 und 152 sind
miteinander durch eine Parallelschaltung eines Abstimmkondensators 156 und zweier Primärwicklungen
eines Transformators 158 miteinander verbunden. Die Mittelanzapfung zwischen den zwei zuletzt genannten
Primärwicklungen des Transformators 158 erhält ein Gleichstrom-Amplitudensteuersignal für die Gegentaktmodulation
über eine Drosselspule 160 vom Ausgang eines DLfferentia'.verstärkers !62 her, um die Amplitude
zu regeln, wdche von der Sekundärwicklung des Transformators 158 über den Abstimmkondensator 164
dargeboten wird, womit der Fühler 16 gespeist wird. Der Ausgang des Fühlers 16 wird einem ersten Eingang
des Differentialverstärkers 162 eingegeben, dessen weiterer Eingang dasselbe Signal konstanter Amplitude
aufnimmt, welches auch dem Verstärker 148 zugeführt wird. Der resultierende Gleichstromausgang wirkt über
den Transformator 158 im Sinne einer Regelung der Amplitude der Gegentaktmodulation derart, daß ein
konstanter Strom den Fühler 16 erreicht Wenn die erwähnten Ströme zu den Fühlern 14 und 16 gleich und in
Gegenphase gehalten werden, so ergibt sich, daß das Potential des zwischen den Fühlern befindlichen Gegenstandes
auf Null gehalten wird, da kein Strom über die Kapazität zwischen dem Gegenstand 12 und Erde
fließt.
Die Ausgangssignaie der Verstärker 148 und 162 werden einer Schaltung 164 zugeführt, die zur Auswahl eines
Summensignales oder eines Differenzsignales oder eines der beiden Eingangssignale dient, was unter
Steuerung eines Wählers geschieht. Dieses Signal wird linearisiert und stellt unmittelbar die Dickenabmessung
oder die Punkt-zu-Punkt-Veränderung in dem Signal
ίο oder die Entfernung des betreffenden Fühlers zu dem
Gegenstand 12 dar, je nachdem, welche Wählereinstellung gewählt ist.
Anhand der F i g. 8 und 9 wird eine Schaltungseinzelheit erläutert, um eine Einstellung beispielsweise in der
Schaltung nach Fig.3 vornehmen zu können, durch
welche bestimmte Abweichungen anderer, allgemeiner Ungenauigkeiten in der Schaltung kompensiert werden
können. Derartige Ungen;iuigkeiten können sich als
Kombination einer Abweichung 170 im allgemeinen erster Ordnung und einer Abweichung 172 im allgemeinen
zweiter Ordnung darstellen, wie in Fi g. 9 gezeigt ist. In
einer Meßeinrichtung der in F i g. 3 gezeigten Art würde die Einstellung zur Kompensation dieser Abweichungen
in den einzelnen Fühlerschaltkreisen sehr kompliziert sein, da eine gleichzeitige Einstellung verschiedener
veränderbarer Widerstünde in jeder Schaltung notwendig wäre. Demgegenüber ist die Schaltung nach
F i g. 8 so ausgebildet, daß diese Funktion erfüllt wird, indem ein erster Einstellwiderstand 174 betätigt wird,
welcher das den beiden Fühlern zugefülirte Signal um gleiche Beträge jeweils in derselben Richtung verändert,
während eine weitere Einstellung an einem veränderbaren Widerstand oder Potentiometer 176 das den
Fühlern zugeführte Signal jeweils um gleiche Beträge, jedoch in jeweils entgegengesetzter Richtung verändert
Betrachtet man die Verhältnisse in der Schaltung nach F i g. 3, so wird beispielsweise das von dem Oszillator
56 abnehmbare Signal, welches mittels der Kabel 76 und 78 übertragen wird, an das Potentiometer 174 gelegt,
dessen verschieblicher Kontakt über jeweils gleichgroße Widerstände 178 und 180 mit den jeweils invertierenden
Eingängen der Verstärker 182 und 184 Verbindung hat Die Ausgänge der Verstärker 182 und 184 sind
über negative Rückkopplungswiderstände 186 und 188 zu den jeweiligen Eingängen zurückverbunden. Die
Korrektur für die jeweiligen Fühler 14 und 16 wird von den invertierenden Eingängen der genannten Verstärker
abgenommen und beispielsweise zu den jeweiligen Fühlerausgängen hinzuaddiert.
Dasselbe Signal, welches an das Potentiometer 174 gelegt worden ist, wird außerdem an den verschieblichen
Kontakt des Potentiometers 176 gelegt. Die anderen Anschlüsse des Potentiometers 176 sind über jeweils
gleiche Widerstände 190 und 192 mit den invertierenden Eingängen der Verstärker 182 und 184 verbunden. Außerdem
haben die soeben genannten Anschlüsse des Potentiometers 176 über gleiche Widerstände 194 und
196 Verbindung mit dem invertierenden Eingang eines weiteren Verstärkers 198. Der Ausgang des Verstärkers
198 ist jeweils über gleichgroße Widerstände 200 bzw. 202 mit der Verbindung zwischen dem Widerstand 194
und dem einen Potentiometeranschluß des Potentiometers 176 bzw. dem Verbindungspunkt des Widerstandes
196 und dem anderen Potentiometeranschluß verbunden. Der Verstärker 198 und der umgebende Schaltungsaufbau
bewirken, daß die über die Widerstände 190 und 192 übertragenen Signale je nach Einstellung
des verschieblichen Kontaktes des Potentiometers 176
U
gleiche Größe, jedoch entgegengesetztes Vorzeichen
haben. Gleichzeitig sind die über das Potentiometer 174 eingeführten Korrektursignale von gleicher Amplitude
und gleicher Polarität. Die beiden Satze von Korrcktursignalen erfahren in den Verstärkern 182 und 184 eine 5
Summation. Im einzelnen bewirkt eine Einstellung an dem Potentiometer 176 eine Verminderung des Abweichungsgrades
von im allgemeinen erster Ordnung, wie in F i g. 9 durch die Kurve 170 deutlich gemacht ist, während
eine Einstellung an dem Potentiometer 174 eine io Abweichung im allgemeinen zweiter Ordnung entsprechend
der Kurve 172 nach F i g. 9 beseitigt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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30
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55
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65
Claims (2)
1. Einrichtung zur kapazitiven Längen- oder Dikkenmessung
eines Meßobjektes, dessen Poientialbe-Ziehung zu einem Bezugspoiential (Erde) aufgrund
hoher Impedanz und/oder nicht durchführbarer Erdung nicht durch äußere Beschaltungsmittcl festlegbar
ist,
10
— mit einer Meßfühleranordnung zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes im Bereich des
Meßobjektes,
— sowie mit einer Auswerteschaltung zur Erfassung der Beeinflussung des Wechselfeldes
durch das Meßobjekt und zur Ableitung der gesuchten Länge oder Dicke aus dieser Feldbeeinflussung,
dadurch gekennzeichnet.
— daß die Meßfühleranordnung wenigstens zwei Meßfühler (14, 16 bzw. 84, 104) umfaßt, denen
unterschiedliche Felderregungssignale zuführbar sind,
— und daß diese Felderregungssignale so bemessen
sind, daß sie am Ort des Meßobjektes ein resultierendes Feld erzeugen, durch das das
Meßobjekt in einen relativ zu dem Bezugspotential definiert schwankenden oder festen Potentialzustand
verbracht wird,
— und daß die Meßfühler ihre von der Position des
Meßobjektes abhängigen Ausgangssignale der genannten Auswerteschaltung zuführen.
J5
2. Einrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet,
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