DE3134322A1 - Elektronischer kapazitiver messkopf - Google Patents

Elektronischer kapazitiver messkopf

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DE3134322A1 DE19813134322 DE3134322A DE3134322A1 DE 3134322 A1 DE3134322 A1 DE 3134322A1 DE 19813134322 DE19813134322 DE 19813134322 DE 3134322 A DE3134322 A DE 3134322A DE 3134322 A1 DE3134322 A1 DE 3134322A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Messkopf für Distanzmessungen. Für den Aufbau eines kapazitiven Messkopfes eignet sich eine Brückenschaltung, in der eine der Brückenelemente die veränderliche Kapazität darstellt. Als Sensor wird beispielsweise eine Elektrodenanordnung mit zwei in einer Ebene liegenden Elektroden verwendet, die an den Gegenstand, zu dem die Distanz gemessen werden soll, herangeführt wird. Die Kapazität der Elektrodenanordnung ist abhängig von dem Medium, das sich in der Nähe der Elektrodenanordnung befindet. Wenn die Elektrodenanordnung sich nicht in der Nähe eines Gegenstandes befindet, so ist die Luft mit ihrer relativ geringen Dielektrizitätskonstanten maßgebend für die Kapazität der Elektrodenanordnung. Wird dagegen ein Gegenstand, bzw. eine Fläche mit höherer Dielektrizitätskonstante in die Nähe der Elektrodenanordnung gebracht, so steigt die Kapazität und die Brückenanordnung wird verstimmt. Von dieser Verstimmung kann ein Messsignal abgeleitet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung für einen Messkopf zu schaffen, die gegenüber Temperaturschwankungen möglichst wenig empfindlich ist.
Die genannte Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird durch Regelung eines Elementes in der Brückenschaltung ein besonders großer Arbeitsbereich der Schaltung geschaffen, dadurch ein Ausgleich von Temperatureinflüssen in einem sehr großen Bereich ermöglicht.
Es wird bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine spezielle Regelschaltung verwendet, bei der die Ausgangswechselspannung der Brücke auf einen konstanten Wert stabilisiert wird.
Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, erläutert.
Es zeigen Fig. 1 das Schaltbild eines kapazitiven Messkopfes mit einer Brückenschaltung, Fig. 2 eine mögliche Elektrodenanordnung, Fig. 3 eine weitere Elektrodenanordnung und Fig. 4 ein Schaltbild einer Schaltung mit einer Regelung.
In der Schaltung in Fig. 1 ist der Ausgang eines Wechselspannungsgenerators 1 über einen Koppelkondensator 2 an eine Brückenschaltung aus den Brückenzweigen 3 bis 7 angekoppelt. Die Wechselspannung wird am oberen Ende der Brückenschaltung eingespeist. Der untere Punkt der Brückenschaltung ist auf Massepotential der Schaltung gelegt. Die beiden Zweige im oberen Teil der Brückenschaltung sind durch Kondensatoren 3 und 4 mit fester Kapazität gebildet. Im linken Zweig des unteren Teils der Brückenschaltung liegt die veränderliche Kapazität 5 der Anordnung und parallel dazu eine Kapazität 6. Im benachbarten Zweig des unteren Teils liegt eine Kapazität 7, die zum Abgleich der Brücke einstellbar ist. Am sogenannten Nullzweig der Brückenschaltung sind die zueinander invertierten Eingänge eines Differenzverstärkers 8 angeschlossen. Im Verstärker 8 wird die am Nullzweig anliegende Spannung verstärkt. Das verstärkte Signal wird einer Gleichrichterschaltung 9 zugeführt, in der aus dem Wechselspannungssignal ein Gleichspannungssignal mit zu der Verstimmung der Brücke stetig sich ändernder Größe gewonnen wird. Dieses Signal steht am Ausgang 10 zur Verfügung.
Die Kapazitäten 5 und 6 in Fig. 1 können durch eine Elektrodenanordnung realisiert werden, die in Fig. 2 dargestellt ist. Eine metallbeschichtete Isolierstoffplatte 11, z.B. eine kupferkaschierte Epoxydharzplatte, wird so geätzt, dass sich die in Fig. 2 dargestellte Anordnung mit einer großflächigen Masseelektrode 12 und einer Sensorelektrode 13 ergibt, die gegeneinander isoliert sind. Die Masseelektrode 12 umgibt die Sensorelektrode 13 allseitig. Die Anschlüsse der Elektroden 12 und 13 sind nach hinten an Punkten 14 durch die Isolierstoffplatte 11 hindurch in das Gehäuseinnere des Messkopfes geführt. Bei dieser Anordnung ist der Messkopf nur im Bereich der Fläche der Sensorelektrode empfindlich, und zwar aus folgendem Grund: Die Masseelektrode ist relativ zur Sensorelektrode sehr großflächig. Daher ist die Kapazität der Masseelektrode zu einem Messobjekt groß, die der Sensorelektrode dagegen klein. Man muss sich die resultierende Kapazität als eine
Reihenschaltung der genannten Kapazitäten vorstellen. Unter den genannten Bedingungen ist der Wert der Kapazität der Sensorelektrode zum Messobjekt ausschlaggebend für den resultierenden Wert.
Die veränderliche Kapazität 5 in Fig. 1 wird in Fig. 2 durch die Kapazität zwischen den Elektroden 12 und 13 gebildet, die sich im angrenzenden Luftraum ausbildet. Dagegen liegt die Kapazität 6 in der Isolierstoffplatte unterhalb der Elektroden 12 und 13.
Die Isolierstoffplatte 11 mit den Elektroden 12 und 13 gemäß Fig. 2 bildet eine Wand des kapazitiven Messkopfes, so dass bei einer Annäherung eines Gegenstandes an die Elektrodenanordnung die Kapazität 5 verändert wird.
Die Kapazität 6 in der Isolierstoffplatte unterliegt Temperaturschwankungen. Um diese zu kompensieren, ist in Fig. 3 an der dem Gehäuseinneren des Messkopfes zugewandten Seite der Isolierstoffplatte 11 die gleich aufgebaute innere Elektrode vorgesehen. Die äußere Elektrode und die innere Elektrode sind gegeneinander versetzt angeordnet, derart dass sie sich nicht gegenüberstehen, sondern jeweils der Masseelektrode der anderen Elektrodenanordnung. Da die innere Elektrode somit nach außen abgeschirmt ist, ist der äußere Anteil ihrer Kapazität nicht variabel.
Am besten wird die Isolierstoffplatte mit den Elektroden punktsymmetrisch ausgelegt. Es kann dann für die Elektroden dieselbe Vorlage (Druckvorlage für die Ätzung) verwendet werden.
Die in der Isolierstoffplatte liegende Kapazität der inneren Elektrode ändert sich in dem gleichen Maße mit der Temperatur wie die in der Isolierstoffplatte liegende Kapazität der äußeren Elektrode. Durch den Aufbau der inneren und äußeren Elektrode mit einer einzigen Isolierstoffplatte ist sicher gewährleistet, dass beide Elektrodenanordnungen die gleiche Temperatur besitzen. Die innere Elektrode wird an die Stelle des Kondensators 7 in Fig. 1 in die Brückenschaltung aufgenommen. Erforderlichenfalls kann noch eine kleine variable Kapazität zum Abgleich der Brücke an geeigneter Stelle vorgesehen werden.
Fig. 4 zeigt nähere Details einer Schaltung für einen Messkopf, die eine Regelschaltung aufweist. Die Elemente der Schaltung, die bereits in Fig. 1 vorhanden sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Gleichrichter 9 ist als sogenannter Schwellwert-Gleichrichter ausgeführt.
Das im Differenzverstärker 8 verstärkte Ausgangssignal der Brückenschaltung ist der Basis eines Transistors 17 zugeführt. Solange die verstärkte Wechselspannung die Schwellenspannung des Transistors 17 nicht überschreitet, ist der Transistor 17 hochohmig. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 17 liegt parallel zu einem Kondensator 19. Der Kondensator 19 kann sich, wenn der Transistor 17 hochohmig ist, über einen Widerstand 18 bis maximal auf den Wert der Betriebsspannung der Schaltung +U aufladen und beim Überschreiten der Schwellenspannung bis auf den Wert Null entladen.
Die Spannung am Kondensator 19 stellt die gewonnene Regelspannung UR dar.
Parallel zu dem Kondensator 7 in der Brückenschaltung ist über einem Trennkondensator 23 eine Kapazitätsdiode 24 angekoppelt. Dieser Kapazitätsdiode 24 ist über einen Trennwiderstand 25 die erwähnte Regelspannung UR zugeführt. Es erfolgt eine Regelung in einem solchen Sinn, dass die Veränderung der Kapazität des Sensorelementes 5 in dem benachbarten Zweig durch eine entsprechende Nachregelung der Kapazitätsdiode ausgeglichen wird. Dieses läuft auf eine Stabilisierung der Ausgangsspannung des Verstärkers 8 hinaus.
Die Regelspannung UR folgt den Änderungen der Kapazität 5, um den beschriebenen Ausgleich zu schaffen. Die Größe der Regelspannung UR ist demnach genau ein Maß für die Veränderung der Kapazität des Sensorelementes 5. Das Signal UR dient zugleich als Ausgangssignal der Messkopf-Schaltung.
Um die Symmetrie der Brückenschaltung zu wahren, ist parallel zur veränderlichen Kapazität 5 eine weitere Kapazitätsdiode 21 geschaltet. Diese Kapazitätsdiode 21 ist über einen Koppelkondensator 22 dem Sensorelement 5 parallel geschaltet und wird über einen Trennwiderstand 20 mit einer Steuerspannung beaufschlagt.
Mit Vorteil wird die Kapazitätsdiode 21 für einen Brückenabgleich verwendet. Deshalb ist dieser Kapazitätsdiode 21 von einem einstellbaren Trimmpotentiometer 27 eine Steuerspannung zugeführt.
Man erhält einen besonders temperaturstabilen Messkopf, wenn beide beschriebenen Maßnahmen, die Verwendung einer inneren und einer äußeren Elektrode und die Regelung der Brückenschaltung, in einer Schaltung angewandt werden.
Es ist auch möglich, die parallel zum Sensorelement 5 liegende Kapazitätsdiode zu regeln und die andere fest einzustellen. Die Regelspannung UR muss dann jedoch eine umgekehrte Abhängigkeit von der Brückenspannung haben.
Der Arbeitspunkt der beschriebenen Schaltung lässt sich durch Verändern des Verstärkungsgrades des Verstärkers 8 einstellen. Mit dieser Einstellung ist die Empfindlichkeit der Schaltung variierbar.

Claims (18)

1. Elektronischer kapazitiver Messkopf mit einer Brückenschaltung (3 bis 7), bei der in einem Zweig (5,6) ein bezüglich seiner Kapazität veränderliches Sensorelement (5) liegt, dadurch gekennzeichnet, - dass eine Schaltung zur Gewinnung einer Regelspannung (UR) aus einer Ausgangsspannung der Brückenschaltung (3-7) vorgesehen ist, - dass in der Brückenschaltung (3-7) ein bezüglich seiner Kapazität elektronisch steuerbares Element (24) vorgesehen ist, dem die gewonnene Regelspannung (UR) zugeführt ist, und - dass das steuerbare Element (24) in der Brückenschaltung (3-7) so angeordnet ist und die Regelspannung (UR) in einem solchen Sinn zugeführt ist, dass die von dem Sensorelement (5) herrührende Verstimmung der Brückenschaltung (3-7) durch das steuerbare Element (24) kompensierbar ist.
2. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als steuerbares Element eine Kapazitätsdiode (24) verwendet ist.
3. Messkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsdiode (24) in einem zu dem Zweig, in dem das Sensorelement liegt, benachbarten Zweig der Brückenschaltung (3-7) liegt.
4. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelspannungserzeuger ein Schwellwertgleichrichter (17-19) verwendet ist, dem das verstärkte Ausgangssignal des Nullzweiges der Brückenschaltung (3-7) zugeführt ist.
5. Messkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwertgleichrichter mit einem Transistor (17) aufgebaut ist, dass der Transistor (17) mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke einen über einem Widerstand (18) aufladbaren Kondensator (19) parallel geschaltet ist und dass der Basis des Transistors (17) das verstärkte Ausgangssignal der Brückenschaltung (3-7) zugeführt ist.
6. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem benachbarten Zweig der Brückenschaltung (3-7) zur Wahrung der Symmetrie der Brückenschaltung (3-7) ein gleichartiges steuerbares Kapazitätselement (21) vorgesehen ist.
7. Messkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem weiteren steuerbaren Kapazitätselement (21) eine Stellspannung zum Abgleich der Brückenschaltung (3-7) zugeführt ist.
8. Messkopf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Sensorelement (5) in einem Zweig (5,6) eine Elektrodenanordnung (11,12,13, äußere Elektrodenanordnung) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Die Elektrodenanordnung ist flächenhaft ausgeführt und durch die Metallschicht einer metallbeschichteten Isolierstoffplatte (11) gebildet.
b) In der Brückenschaltung (3 bis 7) ist zur Kompensation von temperaturbedingten Änderungen der Kapazität der Elektrodenanordnung (11,12,13) eine zweite, gleichartig aufgebaute Elektrodenanordnung (15,16), die sich im Inneren des Messkopfes (innere Elektrodenanordnung) befindet, vorgesehen.
9. Messkopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Elektrodenanordnung (15,16) auf der Rückseite der Isolierstoffplatte (11) vorgesehen ist, an deren Vorderseite sich die äußere Elektrodenanordnung (12,13) befindet.
10. Messkopf nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die innere sowie die äußere Elektrodenanordnung (15,16;12,13) je aus einer Sensorelektrode (13,16) und einer die Sensorelektrode umgebenden Bezugselektrode (12,15) bestehen.
11. Messkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugselektroden (12,15) mit Massepotential der Schaltung des Messkopfes verbunden sind.
12. Messkopf nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (13) der äußeren Elektrodenanordnung (12,13) und die Sensorelektrode (16) der inneren Elektrodenanordnung (15,16) gegeneinander so versetzt angeordnet sind, dass jeweils der Sensorelektrode der einen Seite die die Bezugselektrode der anderen Seite gegenüberliegt.
13. Messkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierstoffplatte (11) mit der äußeren und inneren Elektrodenanordnung eine Wand des Messkopfes bildet.
14. Messkopf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere und die innere
Elektrodenanordnung (12,13;15,16) in zwei benachbarten Zweigen (5,6;7) der Brückenschaltung (3 bis 7) angeordnet sind.
15. Messkopf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlüsse der äußeren Elektrodenanordnung (12,13) durch die Isolierstoffplatte (11) zum Inneren des Messkopfes durchgeführt sind.
16. Messkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierstoffplatte (11) mit der äußeren und der inneren Elektrodenanordnung (12,13;15,16) symmetrisch ausgelegt ist, derart dass für beide Elektrodenanordnungen die gleiche Vorlage oder zueinander spiegelbildliche Vorlagen verwendet werden können.
17. Messkopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz und die Fläche der Sensorelektrode (13) so groß gewählt sind, dass der Messkopf nur auf einer Hälfte der Isolierstoffplatte (11) empfindlich ist.
18. Messkopf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor die Schaltung zur Gewinnung der Segelspannung (9) ein bezüglich seiner Verstärkung einstellbarer Verstärker (8) geschaltet ist.
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