DE3436681C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein kapazitiv arbeitendes Verschiebegrößen-Meßinstrument.

Ein solches Meßgerät ist aus der US-PS 30 68 457 bekannt.

Als Meßinstrumente zur Bestimmung der Länge eines Gegenstandes oder einer Bewegungsgröße von gegeneinander beweglichen Gegenständen sind kapazitiv arbeitende Verschiebegrößen-Meßinstrumente bekannt, bei denen ein Rahmen, der eine Hauptskala hält, an einem Teil und ein Detektor, der eine Indexskala einschließt, an einem anderen Teil befestigt ist, und ein relativer Verschiebungswert wird beispielsweise nach einem elektrostatischen Verfahren ermittelt und anschließend zur Anzeige gebracht. Das aus der vorgenannten Druckschrift bekannte Meßgerät ermittelt die relative Verschiebung zwischen zwei gegeneinander beweglichen Teilen auf der Basis einer Phasenänderung eines Detektorsignals. Um einen Noniuseffekt zu erzielen, müssen dabei die Elektroden 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 des Gerätes werden hierdruch 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.

Aus der DE-OS 28 53 142 ist eine Meßvorrichtung zur kapazitiven Bestimmung der relativen Lage zweier zueinander beweglicher Teile bekannt, bei der an einem beweglichen Teil mehrere Gruppen von Versorgungselektroden entlang der Meßrichtung angeordnet sind, wobei die Versorgungselektroden einer jeden Gruppe an einen Oszillator angeschlossen sind, der eine entsprechende Vielzahl von Signalen liefert, so daß alle Versorgungselektroden nach einem zyklischen Muster mit Spannung versorgt werden. Das bewegliche Teil enthält außerdem wenigstens eine Empfangselektrode, die an eine elektronische Signalaufbereitungseinrichtung angeschlossen ist, und eine Skaleneinrichtung weist ein Elektrodenmuster auf, das mehrere gegeneinander elektrisch isolierte, jeweils zwei elektrisch miteinander verbundene Teile aufweisende Skalenelektroden besitzt, von denen der eine Teil eine Detektorelektrode und der andere Teil als Übertragungselektrode wirkt. Diese sind derart angeordnet, daß die Versorgungselektroden über die Detektorelektroden und die Empfangselektrode über die Übertragungselektroden bei Bewegung der sich gegeneinander bewegenden Teile geführt werden, so daß die Empfangslektrode ein Signal abgibt, das von den Signalen wenigstens zweier nebeneinanderliegender Versorgungselektroden abgeleitet ist. Die Relativposition wird aus dem Amplitudenverhältnis der Signale bestimmt. Die Signale, die an den Versorgungselektroden liegen, sind in der Phase gegeneinander verschoben, was eine aufwendige Signalaufbereitung erfordert.

Aus der DE-AS 12 52 915 ist ein kapazitiver Meßumformer mit einer Mehrzahl von in einer Reihe angeordneten Einzelektroden, mit einer Versorgungseinrichtung zum Anlegen einer Wechselspannung an die Einzelelektroden und mit einer relativ zur Elektrodenreihe bewegbaren Interpolationselektrode bekannt, die durch das elektrische Feld der Einzelelektroden mit einer der Relativstellung der Interpolationselektrode entsprechenden Spannung kapazitiv beaufschlagt wird. Die Reihe von Einzelelektroden zweier auf verschiedenem Potential liegender Gruppen enthält jeweils derart elektrisch leitend verbundene Elektroden, daß nur zwischen den nebeneinanderliegenden beiden Elektroden der Elektrodengruppen eine Potentialdifferenz auftritt, und es sind Schalter vorgesehen, die die Verbindungen zwischen den Einzelelektroden untereinander oder zwischen den Einzelelektroden und der Spannungsquelle trennen und schließen, so daß der Ort der Potentialdifferenz entlang der Elektrodenreihe verschiebbar ist. Aufgrund der Vielzahl der Schalter ist eine solche Anordnung sehr störanfällig, und sie ist außerdem nicht in der Lage, eine hohe Auflösung zu liefern.

Aus der DD-WP 93 037 ist ein kapazitives Weg- und Winkelmeßsystem bekannt, das einen Maßstabsgrundkörper und eine Abtastplatte umfaßt, auf denen Elektroden in elektrisch voneinander isoliert vorgesehenen Gruppen angeordnet sind, wobei die Abstände in Längsrichtung des Maßstabes der Mittellinie eine Abtastelektrode der Abtastplatte von der Mittellinie der ihr rechts benachbarten Abtastelektrode der Abtastplatte und der Abstand der Mittellinie der ersten Abstandselektrode der Abtastplatte zu der ihr links benachbarten Abtastelektrode der Abtastplatte ungleich sind, wobei bestimmte Regeln beachtet werden, die die Abstände bestimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem man einen Noniuseffekt erzielen kann, ohne daß dazu die Elektrodenanordnung und der Schaltkreis kompliziert sein müssen, damit das Meßinstrument in seiner Größe kleingehalten werden kann. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen 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 Bauteils ist wenigstens eine Empfangselektrode angeordnet. Das andere der gegeneinander beweglichen Bauteile ist mit einer Mehrzahl von Übertragungselektroden in Bewegungsrichtung des Bauteils angeordnet, deren Tei­ lungsabstand von dem der zuvor erwähnten Sendeelektroden abweicht, und die den Sendeelektroden und den Empfangselek­ trode(n) gegenüberstehen, wodurch eine relative Verschie­ bung 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 Noniuseffektes halten kann, ohne daß die Elek­ troden eine komplizierte Gestalt haben müssen und der Aus­ werteschaltkreis kompliziert ist. Die Gesamtanordnung kann daher kompakt aufgebaut werden.

Bei einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung ist die Anordnung so getroffen, daß zwei Paare Sen­ deelektroden um 180° gegeneinander phasenverschoben ange­ ordnet 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 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 vorliegen­ den Erfindung;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der an die Sendeelektroden vom Multiplexer beim ersten Ausführungsbeispiel an­ gelegten Signale;

Fig. 3 ein Diagramm der an den Empfangselektroden des ersten Ausführungsbeispiels erscheinenden Signale;

Fig. 4 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 Elek­ troden so angeordnet, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Ein bewegliches Bauteil oder Schieber trägt eine 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 oder Belägen versehen. Die Sendeplatten 1 bis 11 und die Empfangsplatte 20 auf dem Schieber und die Übertragungs­ platten 22 auf dem Stator sind voneinander durch ein dünnes Dielektrikum getrennt. Die Teilung, in der die Übertragungs­ platten angeordnet sind, ist mit P bezeichnet. Innerhalb von 9 P sind die Sendeplatten 1 bis 11 in zehn Teilungen 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 stei­ gen 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 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 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 Kopp­ lung durch die Reaktanz der Kapazität zwischen den Platten erzielt wird. Abtaststeuersignale bewirken, daß der Multi­ plexer 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 Plat­ ten und ist mit der Sendeplatte 1 im Inneren des Multi­ plexers 24 verbunden. Jedes Sendesignal, das gemäß Fig. 2 in der Zeitskala dargestellt ist, erscheint an einer einzel­ nen 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 di­ rekt proportional der Überlappungsfläche und daher der Ka­ pazität zwischen jeder Sendeplatte und den Übertragungs­ platten, 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 darge­ stellt.

Wenn der Schieber dann aus der in Fig. 1 dargestellten Po­ sition nach rechts bewegt wird, so daß dann die der Sende­ platte 1 nachfolgenden Sendeplatten der Reihe nach jeweils eine Übertragungsplatte 22 vollständig überlappen, dann be­ wegt sich das Segment der zusammengesetzten Wellenform R, das die Maximalamplitude hat, vom Zeitsegment 1 zum Zeit­ segment 2 usw. des Multiplexer-Abtastzyklus, und die an­ deren 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 Zeit­ segment 1 sein kann. Die Phasenlage der Umhüllenden ver­ schiebt sich um einen vollständigen Zyklus oder 360° gegen­ über der Bezugszeit bei einer Schieberbewegung vom Teilungs­ abstand P.

Ein vereinfachter elektronischer Schaltkreis zum Umwandeln der Phasenverschiebung der Umhüllenden in einen numerischen Wert ist in Fig. 4 dargestellt. Danach schiebt der Ausgang eines Taktgebers 30 einen Abtastzähler 32 stufenweise, des­ sen Ausgänge zur Steuerung des Multiplexers 24 verwendet werden. Der Abtastzähler 32 versorgt weiterhin einen Deko­ dierer 34, der einen Bezugszeitimpuls zu jeweils gleichem Zeitpunkt in jedem Abtastzyklus erzeugt. Dieser Bezugszeit­ impuls 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 Nulleingangsim­ pedanz 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 verscho­ ben, die Hüllkurve wird von einem Hüllkurvendetektor, be­ stehend aus einer Diode 40 und einem einfachen RC-Filter 42 detektiert. Das Hüllkurvensignal gelangt dann in einen Amplitudenkomparator 44, dem eine Vergleichsspannung V zu­ geführt ist, die so eingestellt ist, daß ein Schalten am Ausgang bei den Nulldurchgangspunkten der Hüllkurve bewirkt wird, wenn diese als eine Wechselstromschwingung ohne Gleich­ stromkomponente betrachtet wird. Die Übergänge von minus nach plus des Ausgangssignals des Komparators 44 unter­ bricht dann das Weiterzählen am Positionszähler 36. Der Positionszähler 36 wird zu jedem Startzeitpunkt auf Null gesetzt, so daß der gezählte Wert zum Stoppzeitpunkt pro­ portional der Schieberverschiebung innerhalb eines Stator- Teilungsabstandes ist.

Ein nützliches Merkmal des praktisch ausgeführten Instru­ mentes ist die Fähigkeit, den angezeigten Zählwert in je­ der Position des Schiebers auf Null zu setzen, so daß Re­ lativmessungen von dieser Position ausgehend sehr einfach durchgeführt werden können. Eine Modifikation der Betriebs­ weise des beschriebenen Systems würde diese Funktion er­ möglichen. 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 Null­ setzschalter 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-synchroni­ siert, daß ein Zählergebnis von Eins am ersten Taktimpuls erscheint, der dem Nulldurchgang folgt. Wenn der Nullsetz­ schalter losgelassen wird, dann bewirkt der nachfolgende Nulldurchgang, daß der Zählwert in ein Anzeigespeicher­ register übernommen wird, es würde jedoch der Zähler 36 nicht, wie zuvor, angehalten. Wenn der Schieber in der be­ treffenden Stellung bleibt, dann würde fortwährend der Zähl­ wert Null in das Anzeigeregister eingetaktet. Wenn der Schie­ ber dann aus dieser Position fortgeschoben wird, dann er­ scheinen 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 36 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 voll­ ständigen Abtastzyklus des Multiplexers 24 erregt werden. Wenn man im Gegensatz hierzu einen Frequenzteiler 46 zwi­ schen dem Taktgenerator 30 und dem Abtastzähler 32 ver­ wendet, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, dann wird das Auf­ lösungsvermögen 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 Sta­ torteilungen gezählt würde, die man bei der Schieberbewe­ gung überstreicht. Diese Zählung würde man mit dem Zähler­ gebnis der Noniuszählung zusammenfassen, um ein Gesamtmeß­ ergebnis für die Schieberbewegung, ausgehend von einem an­ fänglichen Nullwert-Ausgangspunkt, zu erzielen.

In der beschriebenen Ausführungsform sind ein Satz Sende­ platten 1 bis 11 und eine Empfangsplatte 20 vorgesehen. Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind je­ doch zwei Sätze Sendeplatten 1 bis 11 und 1′ bis 11′ vorge­ sehen, die jeweils um 180° in der Phasenlage gegeneinander verschoben sind, und es sind zwei entsprechende Sätze Emp­ fangsplatten 20 und 20′ vorhanden. Man erhält ein Differenz­ signal 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.

Claims (6)

1. Kapazitiv arbeitendes Verschiebegrößen-Meßinstrument mit Noniuseinrichtung, bei dem eine Veränderung der elek­ trischen Kapazität zwischen Elektroden aufgrund einer Ver­ schiebung zwischen zwei gegeneinander beweglichen Teilen auf der Basis einer Phasenänderung eines Ermittlungssig­ nals ermittelt und ein Wert für die Größe der Verschiebung zwischen den zwei Teilen aus der Änderung der Kapazität bestimmt wird, wobei das Meßinstru­ ment enthält:

• a) einen Oszillator (26) zum Erzeugen von Wechselstrom­ signalen einer vorbestimmten Amplitude;
• b) einen Multiplexer (24) zum aufeinanderfolgenden Um­ schalten der vom Oszillator (26) erzeugten Wechselstromsignale;
• c) Sendeelektroden (1 bis 11) wenigstens für einen Multiplexer-Absatz auf einem der gegeneinander beweglichen Teile, die in vorbestimmter Teilung in Bewegungsrichtung an­ geordnet sind und an die die Wechselstromsignale vom Multiplexer (24) nacheinander angelegt werden;
• d) eine Mehrzahl von Übertragungselektroden (22), die auf dem anderen der gegeneinander beweglichen Teile mit vor­ bestimmter Teilung (P) angeordnet sind, welche Teilung von der der Sendeelektroden abweicht, wobei die Übertragungs­ elektroden (22) den Sendeelektroden (1 bis 11) jeweils teil­ weise gegenüberstehen;
• e) wenigstens eine Empfangselektrode (20), die auf dem erstgenannten der beiden gegeneinander beweglichen Tei­ le 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 Hüllkurve der Empfangssignale, die von der Empfangs­ elektrode (20) geliefert werden.

2. Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Phasendetektor enthält:
einen Taktgenerator (30), einen Abtastzähler (32) zum Ab­ geben eines Abtastsignals an den Multiplexer (24) in Ab­ hängigkeit der Takte des Taktgenerators (30), einen Deko­ dierer (34) zum Erzeugen eines Zeitbezugssignals für jeden Abtastzyklus in Abhängigkeit eines Ausgangssignals des Ab­ tastzählers (32), einen Stromverstärker (38) zum Verstärken der Ausgangssignale der Empfangselektrode(n) (20), einen Hüllkurvendetektor (40, 42) zum Erzeugen eines Hüllkurven­ signals von im wesentlichen dreieckiger Wellenform, das am Ausgang des Stromverstärkers (38) ansteht, einen Kompara­ tor (44) zum Erzeugen eines Nulldurchgangssignals der Wech­ selstromwellenform nach dem Entfernen einer Gleichstromkom­ ponente aus dem von dem Hüllkurvendetektor (40, 42) abge­ gebenen Hüllkurvensignal, und einen Positionszähler (36) zum Starten der Zählung von Taktsignalen in Abhängigkeit des Zeitbezugssignals von dem Dekodierer (34) und zum Er­ zeugen eines Positionszählwertes entsprechend einer Phasen­ änderung eines empfangenen Signals durch Unterbrechen der Zählung in Abhängigkeit von dem Nulldurchgangssignal vom Komparator (44).

3. Meßinstrument nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Frequenzteiler (46) zwischen dem Takt­ generator (30) und dem Abtastzähler (32) angeordnet ist.

4. Meßinstrument nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Stromverstärker (38) ein solcher mit Nulleingangsimpedanz verwendet ist.

5. Meßinstrument nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkurvendetektor eine Diode (40) und ein einfaches RC-Filter (42) aufweist.

6. Meßinstrument nach einem der Ansprüche 2 bis 5, 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 Nulldurch­ gangspunkt des Hüllkurvensignals.