DE3042781C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kompensation des durch wenigstens eine erste Elektrode abgestrahlten elektro­ magnetischen HF-Störfelds bei einer berührungslosen Meßanord­ nung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei berührungslosen Meßanordnungen werden vorwiegend kapazi­ tive oder induktive Sensoren benutzt, die an einen oder mehrere Hochfrequenzkreise angeschlossen sind und deren elek­ trisches Verhalten vom relativen Abstand der abzutastenden Oberflächen oder Gegenstände zum Sensor abhängt.

So wird beispielsweise der Abstand zwischen einem Werkstück und einem Bearbeitungswerkzeug dadurch gemessen, daß die zwischen beiden bestehende elektrische Kapazität in einer Schaltungsanordnung so eingeschaltet ist, daß ihre Verände­ rung die elekrischen Werte der Schaltungsanordnung entspre­ chend verändert. Gleiches wird beispielsweise mit einer in­ duktiven Abtastung bewirkt, wenn eine Seite der Meßstrecke aus einer oder mehreren Spulen besteht, welche durch den Abstand zum Werkstück eine bestimmte Induktivität aufweist und bei der sich die Induktivität durch Veränderung des Ab­ stands entsprechend verändert, was im allgemeinen ein elek­ trisch leitfähiges oder ferromagnetisches Material erfordert.

Bei den Änderungen in der Meßstrecke handelt es sich oft um kleine Änderungsbeträge, die aber sehr genau erfaßt und ausgewertet werden müssen. Meistens sind auch die erzielbaren Kapazitäten und/oder Induktivitäten relativ klein, da die sich gegenüberstehenden Flächen oder Körper der Meßstrecken nur relativ geringe Abmessungen aufweisen. Deshalb verwendet man vorwiegend solche Schaltungsanordnungen in diesen Ein­ richtungen, die mit hohen Frequenzen und wegen der erwünsch­ ten hohen Nutzsignal/Störsignal-Relationen auch mit entspre­ chend hohen Hochfrequenzspannungen arbeiten.

Es ist bekannt, solche Meßstrecken in Oszillatorschaltungen anzuordnen, deren Frequenz verändert wird, wenn sich Verände­ rungen in den zu messenden Dimensionen ergeben.

In der Praxis sind eine Reihe von solchen Einrichtungen be­ kannt, die beispielsweise zum Messen von Füllständen in Be­ hältern bei nichtleitenden Füllgütern, zum Erfassen der Bewe­ gung von Zeigerinstrumenten und zum Messen des Abstands zwi­ schen Werkstücken und Werkzeugen kapazitive und/oder indukti­ ve Glieder im Meßkreis von Hochfrequenzoszillatoren verwen­ den.

Die Aufzählung ist nicht vollständig und soll nur einige Beispiele verdeutlichen.

Bei einem großen Teil solcher Sensorschaltungen, die mit hochfrequenten Kreisen verbunden sind, ist es nicht möglich, die Meßstrecke selbst so elektrisch abzuschirmnen, daß die von den Gliedern der Meßstrecke abgestrahlte hochfrequente elektromagnetische Energie auf die unmittelbare Umgebung der Meßstrecke beschränkt bleibt.

Dieser Fall liegt beispielsweise dann vor, wenn ein größeres Werkstück, z. B. eine Stahlplatte, eine Seite der Meßstrecke darstellt, während die andere Seite der Meßstrecke (Elektro­ de) als kapazitiv wirkende Metallfläche in der Nähe der Stahlplatte angeordnet ist. In einem solchen Fall dient die Meßstrecke beispielsweise dazu, die Lage eines Werkzeugs so im Abstand zur Stahlplatte zu regeln, daß die Bearbeitung der Stahlplatte optimal vorgenommen werden kann. Es ist nicht möglich, die gesamte Maschine, die eine solche Bearbeitung vornimmt, so abzuschirmen, daß das hochfrequente elektroma­ gnetische Feld, welches zwischen Stahlplatte und Elektrode vorhanden ist, nach außen hin unwirksam bleibt.

Wird in ähnlichen Abtasteinrichtungen ein induktiver Sensor verwendet, wie z. B. bei der Abtastung der Stellung von Meß­ instrumenten, so kann das durch die Spulen erzeugte elektro­ magnetische Feld in vielen Fällen nicht geschirmt werden, weil die konstruktiven oder anwendungstechnischen Gegebenhei­ ten dies nicht möglich machen.

Solche nicht abschirmbare, berührungslose Abtasteinrichtungen strahlen deshalb stets ein elektromagnetisches Feld ab, des­ sen Energie von der Meßstreckenanordnung und von der darin angewendeten Leistung des Hochfrequenzkreises abhängt.

Es ist oben bereits angedeutet worden, daß die Hochfrequenz­ leistung im Meßkreis wegen des geforderten Mindest-Störab­ stands als Relation Nutzsignal/Störsignal zum Erzielen ein­ wandfreier Funktion im Betrieb einen bestimmten Mindestwert erreichen muß, der in der Praxis einige Milliwatt bis einige Watt beträgt.

Entsprechend dieser Hochfrequenzleistung ist auch der von der Meßstrecke als elektromagnetische Energie abgestrahlte An­ teil kleiner oder größer und liegt in Energiegrößenordnun­ gen, die von benachbarten Empfangseinrichtungen, z. B. Rund­ funk- oder Fernsehempfängern, welche auf die abgestrahlten Frequenzen abgestimmt sind, bereits aufgenommen werden kön­ nen.

Durchweg stören solche Frequenzen die gewünschten Empfangs­ signale.

Aus der GB-PS 13 41 727 ist eine Anordnung zur berührungslo­ sen Korrosions-Prüfung eines elektrischen Leiters bekannt. Dabei sind zwei Spulen in Serie an den Ausgang eines R. F.- Generators geschaltet. Eine solche Anordnung läßt sich schon deshalb nicht zur Abstands- oder Positionsmessung einsetzen, weil beide Spulen identisch beeinflußt werden. Zudem ist die Beeinflussung des magnetischen Flusses im Luftspalt ungeeig­ net zur Abstandsmessung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere also eine Kompensations­ anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auf technisch und wirtschaftlich einfache, zuverlässige Weise die Störfeldkompensation bei räumlich "offenen" HF-ge­ speisten Elektroden-Systemen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß Kennzeichen von Anspruch 1 gelöst.

Bei Verwendung einer Kompensations-Elektrode im relativ ge­ ringen Abstand gemäß Patentanspruch 1 mußte der Fachmann eigentlich befürchten, daß eine starke Abschwächung des Nutzfeldes stattfinden könnte, welche die Funktion der be­ rührungslosen Abstands- und Positionsmessung beeinträchtigen könnte. Die Erfindung zeigt nun aber, daß die Induktivitäts­ veränderung bzw. die Kapazitätsveränderung der Meß-Elektrode trotz Anordnung der Kompensationselektroden zu einer voll ausreichenden Frequenz-Verstimmung des Schwingkreises führt. Dies läßt sich vor allem dadurch erreichen, daß der fre­ quenzbestimmende Abstand der Meß-Elektrode zum Werkstück kleiner ist als derjenige der Kompensationselektrode. Je kleiner die Entfernung der Meß-Elektrode zum Werkstück ist, desto steiler verläuft die Kapazitäts- bzw. die Induktivi­ tätsänderung. (Der Verlauf bei kapazitiven Sonden folgt etwa einer Hyperbel, bei induktiven Sonden ist Abnahme bzw. Zunah­ me der Änderung im Quadrat zu beobachten.) Dementsprechend wird durch die erfindungsgemäße Anforderung von unterschied­ lichem Werkstückabstand und gleichzeitig kleinem Abstand zueinander sowohl ausreichende Empfindlichkeit der Abstands- bzw. Positionsmessung als auch gute Störfeld-Kompensation erreicht. Dies wird ermöglicht, obwohl das Meßfeld selbst (Strecke zwischen Meßelektrode und Werkstück) allseitig "offen" ist und nicht etwa ein einfach abschirmbarer Trans­ formator.

Besonders bei kapazitiven Meß-Elektroden hat sich auch eine seitliche Anordnung der Kompensationselektrode (meist eben­ falls mit größerem Werkstückabstand als die Meß-Elektrode) als vorteilhaft erwiesen: Das Meßfeld zwischen der Meß- Elektrode und dem Werkstück bzw. die Steilheit der Kapazi­ tätsänderung bei einer Abstandsänderung wird durch seitlich angeordnete oder auch ringförmig in einer Ebene angeordnete Kompensationselektroden kaum beeinflußt. Bei einem größeren Abstand der Kompensationselektrode zum Werkstück sinkt au­ ßerdem der Kapazitätswert derart, daß die Beeinflussung weiter verringert wird.

Das Zusammenwirken der kapazitiven oder induktiven Elektroden mit dem Werkstück wird in der Praxis vorteilhaft durch pa­ rallele Anordnung der Elektrodenfläche bzw. der Spulenebene zum Werkstück gewährleistet.

Vor allem bei kapazitiven Elektroden ergibt sich eine beson­ ders vorteilhafte Ausgestaltung, wenn Meß-Elektrode und Kompensationselektrode an die "Gegenpole" eines Schwingkrei­ ses angeschlossen sind, dessen elektrische Mitte am Bezugs­ potential liegt. Dadurch wird auf einfachste Weise, praktisch ohne zusätzliche Bauteile (Phasenschieber, Verstärker etc.) eine Störfeldkompensation ermöglicht.

Insgesamt schafft die Erfindung eine konstruktiv äußerst einfach zu realisierende, im Betrieb nicht aufwendige Anord­ nung zur Störfeldkompensation bei hochempfindlichen Abstands- bzw. Positionsmeßeinrichtungen; bei diesen ist die Meß­ strecke selbst - also der die Induktivität bzw. Kapazität beeinflussende Werkstück-Elektrodenabstand - aufgabengemäß "offen" und nicht abschirmbar.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispie­ len näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Meßanordnung mit kapazitiven Elektroden mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 eine Meßanordnung mit induktiven Elektroden mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 3 ein abgewandeltes Beispiel für kapazitive Elektro­ den,

Fig. 4 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel für induktive Elektroden und

Fig. 5 eine abgewandelte Meßanordnung mit kapazitiven Elektroden mit den Merkmalen der Erfindung.

In Fig. 1 ist mit 1 das Werkstück, eine Metallplatte, be­ zeichnet. 2 stellt das Werkzeug dar, z. B. einen Schweißbren­ ner, der durch einen Motor 3 über eine Regeleinrichtung 4 relativ zum Werkstück 1 bewegt werden kann. Mit der Regelein­ richtung 4 ist eine Meßeinrichtung 5 verbunden, welche einen Hochfrequenzschwingkreis 6 aufweist, der mit der Elektrode 7 zusammengeschaltet ist. Die Elektrode 7 ist mechanisch mit dem Werkzeug 2 verbunden; sie bewegt sich folglich mit diesem mit. Wenn das Werkzeug 2 sich näher zur Metallplatte 1 hin bewegt oder die Metallplatte 1 näher zum Werkzeug 2, so wird der Abstand zwischen Metallplatte 1 und Elektrode 7 ebenfalls geringer. Die Kapazität der Meßstrecke wird folglich höher und damit dieFrequenz des Schwingkreises niedriger, was über die Regeleinrichtung 4 das Anlaufen des Antriebs 3 in eine Richtung bewirkt, die den alten Abstand wieder herstellt.

Es ist ersichtlich, daß die durch den Abstand zwischen Me­ tallplatte 1 und der Elekrode 7 bestimmte Meßstrecke eine Energie abstrahlt, weil an der elektrischen Kapazität der Meßstrecke eine hochfrequente Wechselspannung aus dem Schwingkreis anliegt.

Erfindungsgemäß wird bei diesem Beispiel diese störende Abstrahlung durch Hinzufügen eines zweiten Meßkreises, be­ stehend aus der Elektrode 8, kompensiert. Die Elektrode 8 ist am gegenüberliegenden Ende des Schwingkreises angeschaltet und führt deshalb eine hochfrequente Wechselspannung umge­ kehrter Phase. Da die durch die Elektroden 7 und 8 abge­ strahlten elektromagnetischen Felder in umgekehrter Phasenlage zueinanderstehen, haben sie sich gegenseitig entweder völlig oder zum größten Teil auf. Die elektrische Mitte des Schwingkreises 6 ist an Masse gelegt, um die umgekehrte Pha­ senlage an beiden Enden gegen Masse zu erzielen.

In der Praxis hat sich daher besonders bewährt, daß die Elektroden 7 und 8 räumlich nahe beieinanderstehen, aber sich gegenseitig nicht beeinflussen.

Dieses Beispiel stellt eine einfache Variante der erfindungs­ gemäßen Einrichtung dar.

Fig. 2 zeigt als weiteres Beispiel für die erfindungsgemäße Anordnung eine induktive Annäherungs-Meßstrecke, deren Stör­ feld kompensiert wird.

In Fig. 2 ist ein metallischer Gegenstand 19 dargestellt, der auf den Sensor, welcher als Ringspule 20 ausgeführt ist, eine entweder induktivitätserhöhende oder -erniedrigende Wirkung in Abhängigkeit von der Entfernung ausübt.

Die Ringspule 20 ist in diesem Beispiel mit einer zweiten Ringspule 21 in Reihe geschaltet. Beide Spulen sind an einen Oszillator 22 geschaltet, in welchem ihre resultierende In­ duktivität die Frequenz des Oszillatorkreises bestimmt.

Ringspule 20 und Ringspule 21 sind so angeordnet, daß ihre Wickelrichtung gegensinnig verläuft. Im Beispiel gemäß Fig. 2 ist die Ringspule 21 oberhalb der Ringspule 20 angeordnet, so daß die Ringspule 20 hauptsächlich als Sensor dient, weil sie dem metallischen Gegenstand 19 näher liegt.

Das von der Ringspule 20 abgestrahlte elektromagnetische Störfeld wird in dieser Anordnung durch das genau gegenphasi­ ge Feld der zweiten Ringspule 21 erfindungsgemäß kompen­ siert.

Es ist erfindungsgemäß auch möglich, analog zum Beispiel Fig. 1 die beiden Ringspulen 20 und 21 nebeneinander und gleichwertig als Sensoren anzuordnen, wobei wiederum die Ringspule 21 gegenphasig durchströmt ist.

Ebenso ist z. B. eine Ausgestaltung der Erfindung möglich, bei welcher die Ringspule 21 nicht in Reihe zur Ringspule 20, sondern von dieser völlig getrennt gespeist wird.

Die zweite Ringspule 21 kann auch am Ausgang eines Verstär­ kers, vorzugsweise mit einstellbarem Verstärkungsgrad, liegen und so stets einen genau um 180 Grad phasengedrehten hoch­ frequenten Wechselstrom zur Erzeugung des Kompensationsfelds erhalten, welches erfindungsgemäß das resultierende hochfre­ quente Störfeld auf sehr kleine Werte herabsetzt.

Allen erfindungsgemäßen Anordnungen, für welche die oben genannten Beispiele nur einige Möglichkeiten der Anwendung darstellen, liegt zugrunde, daß die Kompensation der hoch­ frequenten Störfelder durch gegenphasige, kapazitive und/oder induktive Erregerkreise bewirkt wird, die so unmittelbar benachbart angeordnet sind, daß ihre Entfernung zueinander sehr klein ist, verglichen mit der Wellenlänge der hochfre­ quenten Energieabstrahlung. Dadurch ist die 180 Grad-Phasen­ bedingung nahezu völlig erfüllbar.

Fig. 3 zeigt ein bewährtes Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einem kapazitiven Fühler mit konzentrischer Anordnung der kapazitiven Elektroden. Eine Elektrode ist bei z. B. als kreisförmiges Metallplättchen P, die andere Elektrode, welche gegenphasig gespeist wird, z. B. als umgebender Ring R ausge­ bildet. Wählt man dabei die Dicke von Ring und Plättchen sehr klein, verglichen mit dem Durchmesser, so ist das zwischen beiden Elektroden entstehende, nicht kompensierte Feld so gering, daß es nicht stört.

Verständlicherweise können die Elektroden aber auch nebenein­ ander angeordnet und dann z. B. als rechteckige Plättchen ausgebildet werden.

Im Falle von induktiven Elektroden, insbesondere von Ringspu­ len, hat sich die konstruktive Form nach Fig. 4 besonders bewährt. Hier ist auf einem Körper 32 aus Isolierstoff eine Spule 33 aufgewickelt, welche einer berührungslos abzutasten­ den Metallfläche 35 am nächsten liegt. Eine zweite Spule 34 ist darüber auf den gleichen Körper 32 aufgewickelt, jedoch von der Spule 33 und der Metallfläche 35 weiter entfernt, so daß ihre Rückwirkung auf die Spule klein bleibt.

Die Entfernung zueinander ist jedoch sehr klein gegenüber der verwendeten Wellenlänge der hochfrequenten Energie. Bei­ spielsweise beträgt die Entfernung zwischen den Spulen 33 und 34 nur 10 mm bei einer Wellenlänge von 30 m.

Somit ist sichergestellt, daß die gegenphasig erregte Spule 34 ein Feld erzeugt, das die Störwirkung des Feldes der Spule 33 aufhebt.

Die Richtungen der in den beiden Spulen fließenden Ströme sind durch Pfeile gekennzeichnet. Die ausgezogenen Linien in vertikaler Richtung stellen das Feld der Spule 33 dar, die gestrichelten Linien das Feld der Spule 34. Beide Felder heben sich in ihrer Wirkung nach außen hin auf. Die Spule 33 wirkt jedoch hauptsächlich als Fühlerelektrode gegenüber Platte 35.

Fig. 5 zeigt das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung von Abstands-Meßelektrode und Kompensationselek­ trode an einer Brennschneidemaschine.

Die Sensorelektrode 36 und die Kompensationselektrode 37 sind an einen Schwingkreis 38 gegenphasig angeschlossen, der in unmittelbarer Nähe der Elektroden untergebracht ist, z. B. am Brenner, der in Fig. 1 mit 2 bezeichnet ist. Die Sensorelek­ trode 36 und die Kompensationselektrode 37 bilden mit der Metallplatte 35 je eine Kapazität. Der Schwingkreis 38 ist mit dem Oszillator 39 zusammengeschaltet. Die Kabelverbindung führt zur Auswerteschaltung 40. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel ist von besonderem Vorteil, daß nur eine Kabelverbin­ dung benötigt wird, die als Koaxialkabel ausgeführt werden kann.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. So können z. B. nicht nur schwingende Oszillatorschaltungen mit frequenzbestimmenden Kreisen in der Meßstrecke, sondern auch passive Sensorschal­ tungen, die als Verstimmungs-Spannungsteiler oder als kapazi­ tive/induktive Spannungsteiler wirken, erfindungsgemäß ein­ gesetzt werden.

Claims (7)

1. Anordnung zur Kompensation des durch wenigstens eine erste Elektrode abgestrahlten elektromagnetischen HF- Störfeldes bei einer berührungslosen Meßanordnung mit wenigstens einer zweiten im Abstand angeordneten Elektro­ de zur Erzeugung eines Feldes umgekehrter Phasenlage, und wenigstens einem HF-Schwingkreis zur Speisung der beiden Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elek­ trode (7, 20, P, 33, 36) das frequenzverändernde Element des Schwingkreises (6, 22, 38) in einer Einrichtung zur kapazitiven oder induktiven Abstandsmessung zu einem Werkstück (1, 19, 35) ist, daß durch die Relativlage von Werkstück und erster Elektrode die Induktivität oder die Kapazität und damit die Frequenz des Schwingkreises be­ einflußt wird, daß zur Abstandsmessung eine Einrichtung (4, 5, 40) zur Erfassung der Kapazitäts- oder Induktivi­ tätsänderungen zwischen der ersten Elektrode und dem Werkstück vorgesehen ist, daß einerseits der frequenzbe­ stimmende Abstand der ersten Elektrode zum Werkstück kleiner ist als derjenige der zweiten Elektrode (8, 17, 21, R, 34) und/oder die zweite Elektrode, bezogen auf das Werkstück und die zu messende Abstands-Strecke, seitlich von der ersten Elektrode angeordnet ist, und daß ande­ rerseits der Abstand der beiden Elektroden zueinander im Vergleich zur Wellenlänge des Schwingkreises gering ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (8, R, 37) zur phasenumgekehrten Erregung an den Gegenpol des Schwingkreises (6, 22, 38) angeschlossen ist, und daß die elektrische Mitte des Schwingkreises am Bezugspotential, vorzugsweise an Masse, liegt.

3. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (21, 34) koaxial zur ersten Elektrode (20, 33) angeordnet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Elektrode (R) und die erste Elektrode (P) in einer Ebene liegen, und daß die zweite Elektrode die erste Elektrode im Abstand ringförmig um­ gibt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (R) und die erste Elektrode (P) ka­ pazitive Elektroden sind.

6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (20, 33) durch eine Spule mit wenigstens einer Windung gebildet ist, die in einer parallel zum Werkstück (19, 35) verlau­ fenden Ebene angeordnet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Elektrode (7, 10, 37, P) durch eine Kondensator-Platte gebildet ist, die parallel zum Werkstück angeordnet ist und mit diesem die Kapazität bildet.