DE2717966A1 - Laengenmesseinrichtung - Google Patents

Laengenmesseinrichtung

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/2403Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by moving plates, not forming part of the capacitor itself, e.g. shields

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Description

  • Längenmesse inrichtung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Längenmesseinrichtung, bestehend aus zwei Kondensatoren und elektronischen Mitteln, um eine einer längsverschiebung genau proportionale Anzeige spannung zu erreichen.
  • Bekannte Längenmesseinrichtungen auf kapazitiver Basis können in zwei Kategorien unterteilt werden. Erstens in Längenmesseinrichtungen, deren Messwertgeber aus einem variablen Kondensator bestehen. Solche Messwertgeber sind im Aufbau eehr einfach, dafür aber auf Aenderungen des Dielektrikums sehr empfindlich. Zweitens in isängenmesseinrichtungen, deren Messwertgeber aus einem Differentialkondensator bestehen und so von Aenderungen des Dielektrikums unabhängig sind. Mit Messwertgebern der zweiten Art werden auch Kompensa:ionsmessverfahren möglich, welche Messgenauigkeit und Unempfindlichkeit auf äussere Einflüsse bedeutend erhöhen. Bei einem bekannten Verfahren(DT-IG 2218824) werden die Geberwechselspannungen an zwei Elektroden eines Differentialkondensators so variiert, dass die auf der dritten, gemeinsamen Elektrode erregte Spannung zu Null wird. Daraus ergibt sich ein lineares Verhältnis zwischen Geberspannungen und Verschiebung.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Längenmesseinrichtung die konstruktiven Vorteile des einfachen kapazitiven Systeme mit den messtechnischen Vorteilen des differentiellen kapazitiven Systems zu verbinden, Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass seinerseits ein Nesekondensator, dessen Kapazität durch die zu messende Verschiebung linear verändert wird, an eine Referenzwecheelepannung angeschlossen ist, und anderseits ein Referenzkondensator mit gleichem Dielektrikum an eine Wechseispannung gleicher Frequenz und entgegengesetzter Phase, Messwechselspannung genannt, angeschlossen iet, und dass die Amplitude der Measwechselspannung sich durch elektronische Mittel so variieren lässt, dass die auf einer, beiden Kondensatoren gemeinsamen, Elektrode induzierte Wechselspannung zu Null wird.
  • Der Vorteil dieser Massnahmen liegt darin, dass der Messwertgeber einer erfindungsgemässen Längenmesseinrichtung wesentlich kleiner ausfällt als bei einer differentiellen kapazitiven Anordnung. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Kapazitätsänderung des Messkondensators durch einen zwischen beiden Elektroden eingeschobenen geerdeten Schirm bewirkt wird. Eine solche Anordnung ist bei einem erfindungsgemässen Messwertgeber sehr günstig, da sie auf Führungsfehler relativ unempfindlich reagiert, und auch für die elektrischen Anschlüsse von Vorteil ist. Dem gegenüber weist ein differentieller kapazitiver Messwertgeber bekannter Bauart einen komplizierteren Aufbau auf, da hier die Peldlinien an zwei Stellen, statt einer, durschnitten werden mllseen, Hinzu kommt, dass bei einem erfindungsgemässen Messwertgeber der zweckmässig eingebaute Vorverstärker sehr einfach und damit sehr klein gehalten werden kann, weil er ja nur als Impedanzwandler dient, um ein von Null abweichendes Signal zur übrigen Elektronik weiterzuleiten.
  • Somit hat auch die Eingangskapazität dieses Vorverstärkers keinen nennenswerten Einfluss auf die Mess- und Referenzkapazitäten, sodass für letztere sehr kleine Werte, von weniger als einem Picofarad, möglich werden.
  • Sn AusfUhrungebeispiel der erfindungsgemässen ISngenmesseinrichtung ist in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 den schematischen im Schnitt gezeichneten Aufbau eines Messwertaufnehmers Fig. 2 das prinzipielle Schema einer Auswerteelektronik Fig. 3 die zeitlichen Spannungsverläufe in dem elektronischen Teil gemäss Fig. 2 Wie in Fig. 1 gezeigt, bilden die zylinderförmigen Elektroden ; und 9 einen Meßskondensator Cm und die ebenfalls zylinderförmigen Elektroden g und 2 einen Referenzkondensator Cr.
  • Während der Referenzkondensator r konstant bleibt, wird der Messkondensator Cm durch die zu messende Verschiebung X linear verändert. Diese Aenderung kann auf verschiedene Weise erzielt werden, zum Beispiel durch relatives Verschieben der Elektroden ; und 2, oder, wie es in Fig. 1 dargeetellt ist, durch Einschieben eines Schirmes 4, entsprechend der zu messenden Verschiebung X, der somit eine dieser Verschiebung proportionale Kapazitätsänderung bewirkt. Letztere Methode hat zwei Vorteile: erstens ist der so gebaute Messwertaufnehmer auf Führungsfehler des Schirmes weitgehend unempfindlich, dies vor allem bei einem zylindrischen Aufbau wie in Fig. 1 gezeigt, und zweitens sind die elektrischen Anschlüsse an die Elektroden 1, 2 und 2 fest, während der Schirm i, als einziger beneglicher Teil, durch Kontakt oder bewegliche Leitung a auf unkritischem Nullpotential sein muss, wobei die bewegliche Leitung z..
  • eine RUckstellfeder eein kann.
  • Die Elektrode 1 wird durch eine konstante Wechselspannung -Lv, Referenzwechselspannung genannt, und die Elektrode 2 durch eine veränderbare Wechselspannung vm, Messwechselspannung genannt, erregt, Dabei wird die Messwechselspannung i durch unten beschriebene elektronische Mittel eo variiert, dass die auf der gemeinsamen Elektrode 2 induzierte Wechselspannung v zu Null wird. In diesem Fall ist die Summe der von der Elektrode 2 fliessenden kapazitiven Ströme gleich Null, also: cm cr sodass bei Wechselspannungen gleicher Art und Frequenz geschrieben werden kann t vr .cm + vm .cr = 0 Cm oder vm = - Vr r Dadurch steht vm in einem linearen Verhältnis zur Verschiebung X, weil ja die Messkapazität Cm der Verschiebung X proportional ist. Ausserdem haben Aenderungen der dielektrischen Konstante keinen Einfluss, sofert Cm und Cr dasselbe Dielektrikum, z.B.
  • Luft, aufweisen.
  • Mit der beschriebenen Anordnung der Elektroden ergibt sich auch die Möglichkeit, auf einfache Art die Empfindlichkeit des Messwertaufnehmers zu eichen, indem man die Referenzkapazität Cr z.B. mittels einer Einstellschraube 6 abgleicht und damit das Verhältnis der Spannungsänderung zur Längenänderung verändert.
  • Diee ergibt die Möglichkeit, verschiedene Messwertaufnehmer abwechslungsweise auf eine gemeinsame elektronische Auswerteeinheit zu schalten ohne Jedesmal nachzueichen.
  • Um eine einwandfreie Arbeitsweise einer Zrfindunesgemässen Längenmesseinrichtung zu sichern, muss natUrlich die auf einer gemeinsamen Elektrode induzierte Spannung vo nur von den durch den Kondensatoren i und Cr wirkenden Spannungen vr und vm erzeugt werden. Das heisst, dass die leitung, die vO vom Messwertaufnehmer zur übrigen Elektronik überträgt, sorgfältig von den Leitungen, die die Erregerspannungen vr und vm führen, abgeschirmt werden muss. Eine bessere und billigere Lösung besteht darin, im Messwertaufnehmer einen einfachen Impedanzwandler 10 unterzubringen. Die Ausführung eines solchen Impedanzwandlers ist bekannt und stellt keine besonderen Probleme, da der Verstärkungsfaktor hier unkritisch ist. Es können sich dennoch, auch bei kleiner Impedanz nach dem Impedanzwandler 10 Kopplungen von den Erregerwechselspannungen vr und vm auf die ausgangsseitige Spannung v0' aus wirken, was bei sinusförmigen Spannungen zu störenden PhasenverschiebunF1nführt, Sind aber die Erregerspannungen vr und vm Rechteckspannungen, werden sich die unerwünschten Kopplungen und Verzögerungen als Transienten bemerkbar machen. Diese Transienten werden von den Flanken der Rechteckwellen erzeugt und klingen ab, sodass nach einer bestimmten Einschwingzeit ihre störende Wirkung vernachlässigbar wird. Es genügt also, während dieser Einschwingzeit, die erregte Spannung vO nicht zu berücksichtigen.
  • Dies wird z.B. durch die in Fig. 2 gezeigten Elektronik erreicht.
  • Die Spannung vo, des Impedanzwandlers 10 wird an den Eingang verstärkers 14 gelegt, welcher das Signal auf einen fur die weitere Verarbeitung geigneten Pegel verstärkt. Dazu sei bemerkt, dass es günstig ist, diesen Eingangsverstärker 14 als Strom-Spannungswandler auszulegen, und somit die eingangsseitige Impedanz praktisch auf Null zu reduzieren. So werden auf der Leitung die Transienten unterdrückt und eine damit verbundene Störung durch eventuelle Rückkopplung durch den Impedanzwandler 10 auf dessen Eingang verhindert.
  • Ein Oszillator 11 erzeugt eine Rechteckwelle vosc deren Flanken im zeitlichen Spannungsdiagram der Fig. 3 die Zeitpunkte tol, t02, t11 und t12 definieren. Diese Rechteckwelle v08¢ wird durch ein Verzögerungsglied 12 an einen Prequenzteiler 13 gekoppelt, sodass am Ausgang dieses Frequenzteilere, oder "Flip-Flop, eine, gegenüber Voßc zeitlich leicht verschobene Rechteckwelle halber Frequenz entsteht. Diese Rechteckwelle wird als Referentwechsel8pannung vr gebraucht, wobei natürlich vorausgesetzt ist, dass deren Amplitude konstant ist. Diee ist durch die Wahl einer Logik, deren Ausgangepegel gut deiiniert ist, z,B. bei CMOS, der Fall. Die Mesewechselepannung i wird durch Hin- und Herschalten zwischen einer, später zu definierenden Messgleichspannung Vm, und einem konstanten Potential, hier die Masse, erzeugt, Der betreffende elektronische Umechalter 18, wird von der Referenzwechselspannung vr gesteuert und ist so beschaltet, dass die so generierte Messwechselspannung vm gegenüber der Referenzwechselspannung vr um 1800 phasenverschoben, respektive invertiert ist. Fig. 9 zeigt die Phasenzusammenhänge zwischen der Oszillatorspannung vosc, und den beiden Spannungen vr und . Die Flanken der Referenzwechselspannung vr sind durch die Zeitpunkte too, tlo, t20, dargestellt.
  • Die Flanken der Messwechselspannung vm koinzidieren auch annähernd mit diesen Zeitpunkten. Wären die beiden Wechselspannungen vr und i perfekte, genau um 1800 phasenverschobene Rechteckspannungen und gäbe es keine Kopplungen, könnte die auf der gemeinsamen Elektrode 3 (Fig0 1) erhaltene Wechselspannung durch geeignete regelungstechnische Maßnahmen genau auf Null eingestellt werden. Dann wäre, wie weiter oben bewiesen wurde, die Messwechselspannung vm, und daher auch die Messgleichspannung Vm, in einem linearen Verhältnis zu der zu messenden Verschiebung X. Da diese ideale Bedingungen nicht eingehalten werden können, erscheinen auf der induzierten Wechselspannung vo Transienten um die Schaltzettpunktt im t20. Um diese Transienten zu unterdrUcken, wird wischen dem Bingangsverstärker 14 und dem Synchrondemodulator 16 ein TrsneientenunterdrUoker 15 elngoechaltet. Dieser Transientenunterdrcker ist im einfachsten Fall ein elektronischer Schalter, der von der Spannung vOSc gesteuert wird, und zwar so, dass der Schalter unmittelbar vor Erscheinen des Transienten (z.B. t02 in Fig. 3) bis zu dessen Abklingen auf einen unbedeutenden Wert (tal) gesperrt bleibt. Weil ja die Spannung osc dank dem Verzögerungsglied 12 gerade vor den Flanken der Spannungen Vr und Vm den Pegel, der dem gesperrten Zustand entspricht, annmimmt, und ihn genügend lange behält, wird dem synchronen Demodulator 16 ein von Transiznten befreites Signal zugeführt. Das hat den Vorteil, dass, genau wie im idealen Fall, das Signal durch einen Regelteil auf den theoretisch richtigen Nullwert eingestellt wird. In vorliegendem Beispiel besteht dieser Regelteil aus einem einfachen, dem Demodulator 16 nachgeschalteten Integrator 17: Weicht das demodulierte Signal von Null ab, so ändert sich stetig die Ausgangsspannung Vm des Integrators in Funktion der Amplitude und der Polarität des demodulierten Signals.
  • Da die besagte Ausgangsspannung die Messgleichspannung Vm ist, ändert sich die Messwechaelspannung Vm dementsprechend, und zwar bis die am Eingang des Integrator9 liegende Spannung Null erreicht. Die so erhaltene Messgleichspannung steht dann im linearen Verhältnis zur Verschiebung X und ist deshalb als Messgleichapannung dieser Verschiebung X verwendbar.
  • Die Verschiebung X kann nun durch ein an die Messgleichspannung Vm angelegtes, analoges oder digitales Voltmeter abgelesen oder aber weiterverarbeitet werden,

Claims (5)

  1. S 0 hut za n ß p r U c h e 9 Längenmesseinrichtung, bestehend aus zwei Kondensatoren und elektronischen Mitteln zur Erreichung einer der Verschiebung proportionalen Anzeigespannung, dadurch gekennzeichnet dass ein Messkondensator, dessen Kapazität durch die zu messende Verschiebung linear verändert wird, an eine Referenzwechselspannung angeschlossen ist, und dass ein Referenzkondensator mit gleichem Dielektrikum an eine Messwechselspannung gleicher Frequenz und entgegengesetzter Phase angeschlossen ist, deren Amplitude sich durch elektronische Mittel so variieren lässt, dass die auf einer, beiden Kondensatoren gemeinsamen Elektrode, induzierte Wechselspannung zu Null wird.
  2. 2. Einrichtung nach Ansprucrl 1, dadurch gekennzeichnet, cinss die besagte Wechselspannungen Rechteckspannungen sind, wobei die Referenzwechselspannung durch Hin- und Herschalten zwischen zwei konstanten Gleichspannungen, und die Messwechselspannung durch Hin- und Herschaiten zwischen einer konstanten Gleichspannung und einer veränderbaren Messgleich-Spannung erzeugt wird.
  3. 3. Einrichtung nach S.nspruch 1 und ?, dadurch gekennzeichnet.
  4. dass besagte Messgleichspannung durch elektronische Mittel so variiert wird, dass die auf der gemeinsamen Elektrode induzierte Spannung, abgesehen von bei jeder Umschaltung erzeugten transienten Spannungen, zu Null wirdo 4. Einrichtung nach knspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass besagte elektronische Mittel aus einem Transientenunterdrücker, einem Synchrondemodulator und einem Integrator bestehen.
  5. 5. Längenmesseinrichtung nach anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Messkondensators durch mindestens einen, entsprechend der zu messenden Verschiebung zwischen den Elektroden eingeschobenen, geerdeten Schirm geändert wird, Einrichtung nach Anspruch 1 Ura , dadurch gekennzeictlnet, dass der Messkondensator aus zwei koaxialen zylindrischen Elektroden besteht, und dass ein koaxialer zylindrischer Schirm der Verschiebung entsprechend axial zwischen diese Elektroden eingeschoben wird0 19 Längenmesseinrichtung nach anspruch 1, dadurch gekennzeichnet.dass ein, im Messwertaufnehmer eingebauter, Impedanzwandler eingangsseitig an die gemeinsame Elektrode und ausgangsseitig an die übrige Elektronik angescEllossen ist.
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