DE2920491C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Meßfühler zum
Messen kleiner Abstände einer Meßfläche und der
Oberfläche eines leitfähigen Materials. Dabei werden mit
dem kapazitiven Meßfühler sowohl stetige Dickenänderungen
als auch die Lage der Begrenzungskanten des leitfähigen
Materials erkannt.
Die DE-AS 24 48 205 beschreibt eine kapazitive Sonde zum
Füllstandmessen, bei der eine Sondenelektrode in den zu
messenden Raum hineinragt. Durch das Füllgut wird das Feld
der Sondenelektrode gegenüber dem Zustand ohne Füllgut deformiert.
Dadurch ändern sich die Kapazitätsverhältnisse
und werden in einer Auswerteschaltung angezeigt. Diese kapazitive
Sonde eignet sich nicht zum Messen kleiner Wege
zwischen der Sondenelektrode auf Grund ungenügender Abschirmung.
Eine spezielle Abschirmeinrichtung für Mehrspurmagnetköpfe
bei der Signalaufzeichnung und/oder Wiedergabe beschreibt
das DD-PS 1 29 940. Dabei besteht die Abschirmung aus einer
Kombination von elektrisch leitenden und elektrisch nichtleitenden
Schichten, die die Abschirmplatten bilden und
einer allen Magnetsystemen gemeinsamen Felddeformationsplatte.
Die Abschirmplatten befinden sich dabei zwischen
den einzelnen Magnetsystemen und erhöhen die Übersprechdämpfung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven
Meßfühler zu schaffen, der geeignet ist, kleinste Kapazitäten
zwischen dem Meßfühler und einem leitfähigen Material
aufzunehmen und zu erkennen und der konstruktiv einfach
aufgebaut ist und eine kleine Meßfläche besitzt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem kapazitiven
Meßfühler der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es erweist sich als günstig, wenn die Meßfläche etwas aus
der durch den Schirm und der ersten Elektrode gebildeten
Fläche herausragt. Bei einer Berührung der Meßfläche des
allseitig isolierten Koppelstiftes mit dem leitfähigen Material
werden dadurch Kurzschlüsse zwischen den anderen leitfähigen
Teilen vermieden.
Für verschiedene Meßverfahren kann die Form des Meßfühlers
speziell ausgebildet sein. Soll vorzugsweise der Abstand
gemessen werden, ist es günstig, wenn der Querschnitt des
Schirmes rund ist. Für die Lagebestimmung der Begrenzungskanten
des leitfähigen Materials ist ein rechteckiger Querschnitt
des Schirmes günstig.
Durch Veränderung des Abstandes verändern sich die Kapazitäten
zwischen dem Schirm, der ersten Elektrode und dem
Koppelstift. Beim Anlegen einer Wechselspannung an den Eingang
erscheint am Ausgang eine Ausgangswechselspannung, die
von dem Abstand abhängt.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels und
Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 die Meßanordnung des kapazitiven Meßfühlers,
Fig. 2 den Schnitt A-A durch die Meßanordnung,
Fig. 3 das Ersatzschaltbild,
Fig. 4 und 5 weitere Ausführungsvarianten.
Der kapazitive Meßfühler 1 dient zum Messen des Abstandes d₁
eines leitfähigen Materials 2 oder auch zur Lagebestimmung
der Begrenzungskanten des leitfähigen Materials 2.
Fig. 1 zeigt die Meßanordnung unter Verwendung des kapazitiven
Meßfühlers 1.
Gemäß Fig. 2 besteht der kapazitive Meßfühler 1 aus einem
geerdeten Schirm 3 in Form eines oben geschlossenen Hohlkörpers.
Innerhalb des Schirmes 3 befindet sich eine erste
Elektrode 4. Oberhalb der Elektrode 4 ist eine zweite
Elektrode 5 angeordnet. In einer Öffnung der Elektrode 4
und in einer Vertiefung der Elektrode 5 befindet sich ein
Koppelstift 6 mit einer Meßfläche 7. Die Meßfläche 7 ragt
dabei etwas aus der durch die untere Begrenzung des Schirmes
3 und der Elektrode 4 gebildeten Fläche heraus, um Kurzschlüsse
zwischen den leitfähigen Teilen beim Aufsetzen
auf das leitfähige Material 2 zu vermeiden.
Der Zwischenraum zwischen dem Schirm 3, den Elektroden 4, 5
und dem Koppelstift 6 ist dabei mit einem Dielektrikum 8
niedriger Dielektrizitätskonstante ausgefüllt, wodurch
diese Teile untereinander galvanisch isoliert sind. Die
Wandstärke des Dielektrikums 8 zwischen den einzelnen Teilen
ist dabei günstigerweise gleich groß.
Innerhalb des Schirmes 3 und oberhalb der Elektrode 5 befindet
sich ein Verstärkerelement 9. Der Schirm 3 weist
zwischen den Elektroden 4; 5 einen Entkoppelvorsprung 10
auf, wodurch die störende Kopplung zwischen den Elektroden
verringert wird.
Die Elektrode 4 ist durch eine erste Bohrung 11 des Schirmes
3 mit dem Eingang E, die zweite Elektrode 5 mit dem
Verstärkereingang und der Verstärkerausgang durch eine
zweite Bohrung 12 des Schirmes 3 verbunden.
Die Wirkungsweise des kapazitiven Meßfühlers läßt sich am
besten mit dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 3 erklären.
Es bestehen folgende Kapazitäten:
Die Kapazität C k 1 zwischen der Elektrode 4 und dem Koppelstift 6, die Kapazität C k 2 zwischen dem Koppelstift 6 und der Elektrode 5 und die Meßkapazität C x zwischen dem Koppelstift 6 und dem auf Massepotential liegenden leitfähigen Material 2.
Die Kapazität C k 1 zwischen der Elektrode 4 und dem Koppelstift 6, die Kapazität C k 2 zwischen dem Koppelstift 6 und der Elektrode 5 und die Meßkapazität C x zwischen dem Koppelstift 6 und dem auf Massepotential liegenden leitfähigen Material 2.
Weiterhin bestehen parasitäre Kapazitäten C p 1 zwischen dem
Koppelstift 6 und dem ebenfalls auf Massepotential liegenden
Schirm 3 und C p 2 zwischen den Elektroden 4; 5, die
durch die konstruktive Gestaltung klein gehalten werden.
Weitere Kapazitäten bestehen zwischen dem Schirm 3 und der
Elektrode 4 mit der Kapazität C M 1 sowie dem Schirm 3 und
der Elektrode 5 unter Einschluß der parallel liegenden
Eingangskapazität des Verstärkerelementes 9 mit der Kapazität
C M 2. Die Kapazität C M 1 hat aber keine Verfälschung
des Meßergebnisses zur Folge, sondern ihr störender Einfluß
macht sich lediglich in einer Belastung der Versorgungswechselspannung
U o bemerkbar. Die Kapazität C M 1 ist
deshalb in Fig. 3 nur angedeutet.
Wird an den Eingang E die Versorgungswechselspannung U v
gelegt, so teilt sich die Spannung über den Kapazitäten
des kapazitiven Meßfühlers 1 auf.
Durch den Entkopplungsvorsprung 10 wird die parasitäre
Kapazität C p 2 vernachlässigbar klein. Damit ergibt sich
für die Ausgangsspannung U a in Abhängigkeit von dem zu
messenden Abstand d₁
Es wird durch die spezielle konstruktive
Gestaltung die parasitäre Kapazität C p 1 klein gehalten,
weil der Einfluß von C p 1 den eigentlichen Meßeffekt unterdrückt.
Die veränderliche Kapazität ist C X , die durch den veränderlichen
Abstand der Meßfläche 7 des Koppelstiftes 6
gegeben ist.
Claims (3)
1. Kapazitiver Meßfühler zum Messen kleiner Abstände zwischen
einer Meßfläche und der Oberfläche eines leitfähigen
Materials, gekennzeichnet dadurch, daß sich innerhalb
eines oben geschlossenen Schirmes (3) an dessen
unteren Ende eine mit dem Schirm (3) abschließende erste
Elektrode (4) befindet, daß oberhalb der ersten Elektrode
(4) eine zweite Elektrode (5) angeordnet ist, daß sich
in einer Öffnung der ersten Elektrode (4) ein Koppelstift
(6) mit einer Meßfläche (7) befindet, daß die Meßfläche
(7) mit dem Schirm (3) und der ersten Elektrode (4) abschließt,
daß der Zwischenraum zwischen dem Schirm (3),
den Elektroden (4; 5) und dem Koppelstift (6) mit einem
Dielektrikum (8) ausgefüllt ist, daß sich innerhalb des
Schirmes (3) und oberhalb der zweiten Elektrode (5) ein
Verstärkerelement (9) befindet und daß die erste Elektrode
(4) mit einem Eingang (E) für Wechselspannung, die
zweite Elektrode (5) mit dem Verstärkereingang (G) und
der Verstärkerausgang (D) mit dem Ausgang (A) des kapazitiven
Meßfühlers elektrisch verbunden ist.
2. Kapazitiver Meßfühler nach Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß das Verstärkerelement (9) ein Feldeffekttransistor
ist, dessen Gateelektrode den Verstärkereingang
(G) und dessen Drain-elektrode den Verstärkerausgang
(D) bildet, und dessen Sourceelektrode (S) mit dem Schirm
(3) verbunden ist.
3. Kapazitiver Meßfühler nach Anspruch 1, gekennzeichnet
dadurch, daß der Schirm (3) zwischen der ersten und zweiten
Elektrode einen Entkoppelvorsprung (10) aufweist.
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