DE3436681A1 - Kapazitives verschiebungsmessgeraet - Google Patents
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Description
Kapazitives Verschiebungsmeßgerät
B e s c h r e i b u η g
Die Erfindung bezieht sich auf ein kapazitiv arbeitendes Verschiebungsgrößen-Meßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 und speziell auf ein solches Meßgerät mit
^Q einem Noniussystem, bei dem eine Veränderung der elektrischen
Kapazität zwischen Elektroden aufgrund einer relativen Verschiebung zwischen zwei gegeneinander beweglichen
Teilen auf der Basis einer Phasenänderung eines Detektorsignals ermittelt und daraus die Verschiebung der beiden
jg Teile gegeneinander aus der Kapazitätsänderung gemessen
wird.
Als Meßinstrumente zur Bestimmung einer Länge oder dergleichen eines Gegenstandes, einer Bewegungsgröße von ge-
2Q geneinander beweglichen Gegenständen, wie beispielsweise
einer Bewegungsgröße eines Meßelementes gegenüber einem Hauptkörper oder einer Bewegungsgröße eines Gleitelementes
an einer Säule sind kapazitive Verschiebungs-Meßinstrumente bekannt, bei denen ein Rahmen, der eine Hauptskala
hält, am einen Teil und ein Detektor, der eine Indexskala einschließt, am anderen Teil befestigt wird, und ein relativer
Verschiebungswert wird beispielsweise nach einem elektrostatischen Verfahren abgelesen.
QQ Von diesen kapazitiv arbeitenden Verschiebungs-Meßinstrumenten
ist als ein solches, bei dem eine Veränderung in der elektrischen Kapazität zwischen den Elektroden aufgrund
einer relativen Verschiebung zwischen zwei gegeneinander beweglichen Teilen auf der Basis einer Phasen-
oc änderung eines Detektorsignales gemessen und eine relative
Verschiebung zwischen den beiden Teilen aus der Kapazitätsänderung ermittelt wird, beispielsweise von der
US-PS 30 68 467 vorgestellt worden. Um den Noniuseffekt
zu erzielen, müssen gemäß dieser Patentschrift die Elektroden jedoch auf dem einen der gegeneinander beweglichen
Teile ein komplementär sinuswellenförmiges Muster aufweisen und zwei Paare solcher sinuswellenförmig gestalteter
Elektroden sind in der Phase um 90° gegeneinander versetzt. Die gegeneinander beweglichen Teile der Meßvorrichtung
werden hierdurch in Breitenrichtung recht groß und es ist darüber hinaus schwierig, die zwei Paare der
sinuswellenförmig gestalteten Elektroden so auszubilden, daß sie in der Phase verschoben sind.
In der JP-OS 94 354/79 ist ein Instrument vorgeschlagen
worden, bei dem ein Elektrodenpaar verwendet wird und die Frequenzen gegeneinander in einem Signalverarbeitungskreis
verschoben werden, um hierdurch den Noniuseffekt zu erzielen. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß die Schaltung
sehr kompliziert ist.
Die vorliegende Erfindung ist geschaffen worden, um die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu
vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßinstrument der obengenannten Art anzugeben, bei dem man
den Noniuseffekt erzielen kann, ohne daß hierzu die Elektrodenanordnung und der Schaltkreis kompliziert sein müssen,
so daß das Meßinstrument in der Größe klein gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es sind demnach auf einem der gegeneinander beweglichen Teile Sendeelektroden für wenigstens eine Periode einer
vorbestimmten Wellenlänge in Bewegungsrichtung des Teiles angeordnet, denen Wechselstromsignale nacheinander von
einem Multiplexer zugeführt werden. In Bewegungsrichtung des Bauteiles sind weiterhin Empfangselektrode(n) auf dem
Teil angeordnet. Das andere der gegeneinander beweglichen
Bauteile ist mit einer Mehrzahl von Übertragungselektroden in Bewegungsrichtung des Bauteils angeordnet, deren Teilungsabstand
von dem der zuvor erwähnten Sendeelektroden abweicht, und die den Sendeelektroden und den Empfangselektrode(n)
gegenüberstehen, wodurch eine relative Verschiebung zwischen den zwei gegeneinander beweglichen Teilen
auf der Basis einer Phasenänderung der empfangenen Signale gemessen wird, die im wesentlichen dreieckförmigen Verlauf
haben und an den Empfangselektroden gewonnen werden, so daß man den Noniuseffekt halten kann, ohne daß die Elektroden
eine komplizierte Gestalt haben müssen und der Auswerteschaltkreis kompliziert ist. Die Gesamtanordnung kann
daher kompakt aufgebaut werden.
Bei einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß zwei Paare Sendeelektroden
um 180° gegeneinander phasenverschoben angeordnet sind und eine Phasenänderung eines Differenzsignals
der an den zwei Paaren der Empfangselektroden gegenüber den Sendeelektroden empfangenen Signale ermittelt wird,
so daß man eine hohe Meßgenauigkeit erzielt.
Die Erfindung, ihre weiteren Merkmale und ihre Vorteile sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf die Elektrodenanordnung bei einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 2 ein Zeitdiagramm der an die Sendeelektroden vom Multiplexer beim ersten Ausführungsbeispiel angelegten
Signale;
Fig. 3 ein Diagramm der an den Empfangselektroden des
ersten Ausführungsbeispiels erscheinenden Signale; 35
Fig. H ein Blockdiagramm eines Signalverarbeitungskreises
bei der ersten Ausführungsform der Erfindung, und
, Fig. 5 eine Draufsicht auf die Elektrodenanordnung bei
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Elekg
troden so angeordnet, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Auf diese Fig. sei hier ausdrücklich Bezug genommen, ihr
Offenbarungsgehalt ist Bestandteil dieser Beschreibung. Insbesondere offenbaren sich aus ihr erfindungswesentliche
Merkmale. Ein bewegliches Bauteil oder Schieber trägt eine 1n Reihe von metallenen Sendeelektroden 1 bis 11 in Form von
Platten oder Belägen und eine metallische Empfangselektrode 20, ebenfalls in Form einer Platte oder eines Belages. Ein
stationäres Bauteil oder Stator ist mit einer Reihe von metallenen Übertragungselektroden 22 in Form von Platten
, c oder Belägen versehen. Die Sendeplatten 1 bis 11 und die
Io
Empfangsplatte 20 auf dem Schieber und die übertragungsplatten
22 auf dem Stator sind voneinander durch ein dünnes Dielektrikum getrennt. Die Teilung, in der die übertragungsplatten
angeordnet sind, ist mit P bezeichnet. Innerhalb
von 9 P sind die Sendeplatten 1 bis 11 in zehn Teilungen
20
angeordnet. Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt, der Schieber so angeordnet ist, daß die Sendeplatte 1 vollständig von
der Übertragungsplatte 22 überlappt ist, dann nehmen die sich überlappenden Flächen zwischen den Sendeplatten und
den Übertragungsplatten, d. h. nehmen die Kapazitäten
zwischen den Platten für die benachbarten Sendeplatten bis zur Platte 6 fortschreitend bis auf Null ab und steigen
von dort wieder auf den Maximalwert, der bei der Platte 11 erreicht ist, an. Dieses Verhältnis ist gewählt, um elek-
trische dreieckförmige Wellenformen zu erzeugen, mit deren
30
Hilfe eine Phasenlage zu einer festen Zeitbezugsgröße in eine gerade Linie in Übereinstimmung mit der mechanischen
Verschiebung des Schiebers auf dem Stator umgewandelt wird.
Wie Fig. 1 zeigt, werden die Sendeplatten 1 bis 11 indi-35
viduell von Ausgängen eines Multiplexers 24 erregt. Ein Eingang des Multiplexers 24 wird von einem Oszillator 26
vorgegebener Amplitude erregt, der mit einer so hohen
Frequenz arbeitet, daß eine ausreichende elektrische Kopplung durch die Reaktanz der Kapazität zwischen den Platten
erzielt wird» Abtaststeuersignale bewirken, daß der Multiplexer 24 das Signal des Oszillators 26 nacheinander auf
jeweils nur eine der Platten 1 bis 10 schaltet und dann auf Eins zurückkehrt, um den Zyklus zu wiederholen. Die
Sendeplatte 11 ist die erste einer zweiten Serie von Platten
und ist mit der Sendeplatte 1 im Inneren des Multiplexers 24 verbunden. Jedes Sendesignal, das gemäß Fig. 2
in der Zeitskala dargestellt ist, erscheint an einer einzelnen zugehörigen Sendeplatte. Die Signale an den Sendeplatten
1 bis 11 werden von den übertragungsplatten 22 während der ihnen zugeordneten Zeitabschnitte im Abtastzyklus auf die
Empfangsplatte 20 übergekoppelt. Die Amplitude eines jeden auf die Empfangsplatte 20 übergekoppelten Signals ist direkt
proportional der Überlappungsfläche und daher der Kapazität zwischen jeder Sendeplatte und den Übertragungsplatten,
so daß das sich an der Empfangsplatte 20 ergebende zusammengesetzte Signal die mit R in Fig. 3 bezeichnete
Wellenform hat. Die Umhüllende dieser Wellenform R nach der Gleichrichtung und der Filterung ist dort ebenfalls dargestellt.
Wenn der Schieber dann aus der in Fig. 1 dargestellten Position nach rechts bewegt wird, so daß dann die der Sendeplatte
1 nachfolgenden Sendeplatten der Reihe nach jeweils eine übertragungsplatte 22 vollständig überlappen, dann bewegt
sich das Segment der zusammengesetzten Wellenform R, das die Maximalamplitude hat, vom Zeitsegment 1 zum Zeitsegment
2 usw. des Multiplexer-Abtastzyklus, und die anderen Segmente der Wellenform, die geringere Amplituden
haben, bewegen sich ebenfalls auf spätere Zeitsegmente. Die Umhüllende der gesamten zusammengesetzten Wellenform
bewegt sich daher in der Zeit- oder Phasenlage gegenüber einer Bezugszeit, die beispielsweise die Startzeit am Zeitsegment
1 sein kann. Die Phasenlage der Umhüllenden verschiebt sich um einen vollständigen Zyklus oder 360° gegenüber
der Bezugszeit bei einer Schieberbewegung vom Teilungs-
abstand P.
Ein vereinfachter elektronischer Schaltkreis zum Umwanden der Phasenverschiebung der 'Umhüllenden in einen numerischen
Wert ist in Fig. 4 dargestellt. Danach schiebt der Ausgang eines Taktgebers 30 einen Abtastzähler 32 stufenweise, dessen
Ausgänge zur Steuerung des Multiplexers 24 verwendet werden. Der Abtastzähler 32 versorgt weiterhin einen Dekodierer
34, der einen Bezugszeitimpuls zu jeweils gleichem Zeitpunkt in jedem Abtastzyklus erzeugt. Dieser Bezugszeitimpuls
setzt den Positionszähler 36 in Betrieb, der von den Taktimpulsen des Taktgenerators 30 weitergeschaltet wird.
Die empfangenen Signale von der Empfangsplatte 20 werden durch einen Stromverstärker 38, der eine Nulleingangsimpedanz
aufweist, verstärkt. Dies stellt sicher, daß die Ausgangssignalamplituden direkt proportional der Kapazität
zwischen der Sendeplatte und der übertragungsplatte ist.
Die R-Hüllkurve am Ausgang des Stromverstärkers 38 wird
hier um 180° gegenüber der Wellenform in Fig. 3 verschoben, die Hüllkurve wird von einem Hüllkurvendetektor, bestehend
aus einer Diode 40 und einem einfachen RC-Filter 42 detektiert. Das Hüllkurvensignal gelangt dann in einen
Amplitudenkomparator 44, dem eine Vergleichsspannung V zugeführt ist, die so eingestellt ist, daß ein Schalten am
Ausgang bei den Nulldurchgangspunkten der Hüllkurve bewirkt wird, wenn diese als eine Wechselstromschwingung ohne .Gleichstromkomponente
betrachtet wird. Die Übergänge von minus nach plus des Ausgangssignals des Komparators 44 unterbricht
dann das Weiterzählen am Positionszähler 36. Der Positionszähler 36 wird zu jedem Startzeitpunkt auf Null
gesetzt, so daß der gezählte Wert zum Stoppzeitpunkt proportional der Schieberverschiebung innerhalb eines Stator-Teilungsabstandes
ist.
Ein nützliches Merkmal des praktisch ausgeführten Instrumentes ist die Fähigkeit, den angezeigten Zählwert in jeder
Position des Schiebers auf Null zu setzen, so daß Re-
■ - ' .■ \ ':■:' ::-\- 3436631
-r- *>
lativmessungen von dieser Position ausgehend sehr einfach
durchgeführt werden können. Eine Modifikation der Betriebsweise des beschriebenen Systems würde diese Funktion ermöglichen.
Anstelle den Positionszähler 36 am Beginn eines jeden Abtastzyklus auf Null zurückzusetzen, würde man es
ihm nämlich erlauben, immer wieder von Null durch seinen gesamten Zählbereich zu zählen. Wenn man dann einen Nullsetzschalter
drückt, dann würde man den Positionszähler 36 an dem Minus-Nach-Plus-Nulldurchgang der R-Hüllkurve
auf Null setzen. Der Positionszähler 36 ist so re-synchronisiert,
daß ein Zählergebnis von Eins am ersten Taktimpuls erscheint, der dem Nulldurchgang folgt. Wenn der Nullsetzschalter
losgelassen wird, dann bewirkt der nachfolgende Nulldurchgang, daß der Zählwert in ein Anzeigespeicherregister
übernommen wird, es würde jedoch der Zähler 36 nicht, wie zuvor, angehalten. Wenn der Schieber in der betreffenden
Stellung bleibt, dann würde fortwährend der Zählwert Null in das Anzeigeregister eingetaktet. Wenn der Schieber
dann aus dieser Position fortgeschoben wird, dann erscheinen die Nulldurchgänge zu anderen Zeitpunkten und die
eingetakteten Zählwerte relativ zu der ursprünglichen Null-Bezugszeit oder -stellung würden sich dann ergeben.
Wenn in dem oben beschriebenen Kreis dieselbe Taktfrequenz sowohl den Abtastzähler 32 als auch den Positionszähler
versorgt, dann beträgt das Auflösungsvermögen der Anzeige des Positionszählers 36 1/10 der Teilung P, was durch die
Anzahl der Platten bestimmt wird, die während eines vollständigen Abtastzyklus des Multiplexers 24 erregt werden.
Wenn man im Gegensatz hierzu einen Frequenzteiler 46 zwischen dem Taktgenerator 30 und dem Abtastzähler 32 verwendet,
wie es in Fig. 4 gezeigt ist, dann wird das Auflösungsvermögen auf 1/10 geteilt durch das Teilerverhältnis
gesteigert. Beispielsweise für ein Teilerverhältnis von Zehn ergibt sich dann ein Auflösungsvermögen des Zählers
36 von P/100.
In einem praktisch ausgeführten System würde man auch
Schaltkreismittel vorgesehen, mit denen die Anzahl der Statorteilungen
gezählt würde, die man bei der Schieberbewegung überstreicht. Diese Zählung würde man mit dem Zählergebnis
der Noniuszählung zusammenfassen, um ein Gesamtmeßergebnis für die Schieberbewegung, ausgehend von einem anfänglichen
Nullwert-Ausgangspunkt, zu erzielen.
In der beschriebenen Ausführungsform sind ein Satz Sendeplatten 1 bis 11 und eine Empfangsplatte 20 vorgesehen.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind jedoch zwei Sätze Sendeplatten 1 bis. 11 und 11 bis 11' vorgesehen,
die jeweils um 180° in der Phasenlage gegeneinander verschoben sind, und es sind zwei entsprechende Sätze Empfangsplatten
20 und 20' vorhanden. Man erhält ein Differenzsignal aus den Empfangssignalen der Empfangsplatten 20 und
20' mit Hilfe eines Differenzverstärkers 50, und es ist möglich, die Verschiebung des Schiebers aus einer Änderung
des Phasenwinkels des Differenzsignals zu ermitteln.
Bei dieser Ausführungsform ist die Meßgenauigkeit um ein beachtliches Maß verbessert.
Die obigen Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf ein Meßinstrument zur Ermittlung linearer Verschiebungen erläutert
worden. Es sei jedoch betont, daß die Erfindung nicht auf diese spezielle Anwendungsform beschränkt ist,
vielmehr läßt sie sich auch zur Ermittlung von Drehwinkeln und als Winkelkodierer verwenden, wenn die Anordnung der
Elektroden entsprechend gewählt ist.
Claims (7)
1. Kapazitiv arbeitendes Verschiebegrößen-Meßinstrument
mit Noniuseinrichtung, bei dem eine Veränderung der elek-
25 trischen Kapazität zwischen Elektroden aufgrund einer Verschiebung
zwischen zwei gegeneinander beweglichen Teilen auf der Basis einer Phasenänderung eines Ermittlungssignals
ermittelt und ein Verschiebungswert zwischen den zwei Teilen aus der Änderung der Kapazität gemessen wird, da-
30 durch gekennzeichnet , daß das Meßinstrument enthält:
a) Einen Oszillator (26) zum Erzeugen eines Wechselstromsignals einer vorbestimmten Amplitude;
b) einen Multiplexer (24) zum aufeinanderfolgenden Umschalten
der Wechselstromsignale vom Oszillator (26);
c) Sendeelektroden (1 bis 11) wenigstens für einen Zyklus
auf einem der gegeneinander beweglichen Teile, die in vorbestimmter Teilung in Bewegungsrichtung des Teils angeordnet
sind und an die die Wechselstromsignale vom Multiplexer (24) nacheinander angelegt werden;
d) eine Mehrzahl von Übertragungselektroden (22), die an dem anderen der gegeneinander beweglichen Teile mit vorbestimmter
Teilung (P) angeordnet sind, welche Teilung von der der Elektroden abweicht, wobei die übertragungs-
elektroden (22) den Sendeelektroden (1 bis 11) teilweise
gegenüberstehen;
e) wenigstens eine Empfangselektrode (20), die auf dem erstgenannten der beiden gegeneinander beweglichen Teile
angeordnet ist und dem verbleibenden Teil der Über-
tragungselektroden (22) gegenübersteht, und
f) einen Phasendetektor (32 bis 44) zur Ermittlung einer Phasenänderung der im wesentlichen dreieckwellenförmig
verlaufenden Empfangssignale, die von der Empfangselektrode (20) geliefert werden.
2. Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Paare (1 bis 11, 1' bis 11')
Sendeelektroden vorgesehen sind, die in der Phasenlage um 18O° gegeneinander verschoben sind, und daß eine Phasenänderung
eines Differenzsignals der an zwei Paaren (20, 20') Empfangselektroden, die den Sendeelektroden gegenüberstehen,
empfangen werden, ermittelt wird.
3- Meßinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Phasendetektor enthält:
Einen Taktgenerator (30), einen Abtastzähler (32) zum Abgeben eines Abtastsignals an den Multiplexer (24) in Abhängigkeit
der Takte des Taktgenerators (30), einen Dekodierer (34) zum Erzeugen eines Zeitbezugssignals für jeden
Abtastzyklus in Abhängigkeit eines Ausgangssignals des Abtastzählers
(32), einen Stromverstärker (38) zum Verstärken der Ausgangssignale der Empfangselektrode(n) (20), einen
Hüllkurvendetektor (40, 42) zum Erzeugen eines Hüllkurvensignals von im wesentlichen dreieckiger Wellenform, das am
Ausgang des Stromverstärkers (38) ansteht, einen Komparator (44) zum Erzeugen eines Nulldurchgangssignals der Wechselstromwellenform
nach dem Entfernen einer Gleichstromkomponente aus dem von dem Hüllkurvendetektor (40, 42) abgegebenen
Hüllkurvensignal, und einen Positionszähler (36) zum Starten der Zählung von Taktsignalen in Abhängigkeit
des Zeitbezugssignals von dem Dekodierer (34) und zum Erzeugen eines Positionszählwertes entsprechend einer Phasenänderung
eines empfangenen Signals durch Unterbrechen der Zählung in Abhängigkeit von dem Nulldurchgangssignal vom
Komparator (44).
4. Meßinstrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein Teiler (46) zwischen dem Takt-
generator (30) und dem Abtastzähler (32) angeordnet ist.
5. Meßinstrument nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß als Stromverstärker (38)
ein solcher mit Nulleingangsimpedanz verwendet ist.
6. Meßinstrument nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Hüllkurvendetektor
eine Diode (40) und ein einfaches RC-Filter (42) aufweist.
7. Meßinstrument nach einem der Ansprüche 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet , daß der Positionszähler (36)
wiederholend von Null bis zum Maximalwert zählt und die Zählung der Taktsignale bei einer Bezugsposition beginnt,
wo ein Nullschalter eingeschaltet wird nach dem Nulldurchgangspunkt des Hüllkurvensignals.
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