DE3616390A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur messung des eigenschwingverhaltens eines rotierenden koerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Eigen­ schwingverhaltens eines um eine Achse rotierenden langge­ streckten Körpers unter Verwendung der berührungslosen kapa­ zitiven Wegmessung, wobei mindestens zwei Meßsonden so ange­ ordnet werden, daß sie die individuellen, den Abstand zwi­ schen einer jeweiligen Meßelektrode und dem Körper repräsen­ tierenden Kapazitätswerte aufnehmen, und der Körper selbst zu seiner Umgebung hin eine Gesamtkapazität bildet sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung desselben. Insbe­ sondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur kontinuier­ lichen, berührungslosen Wegmessung an einem galvanisch ge­ trennten, nahezu nichtleitenden rotierenden Körper.

Bei der dynamischen, mechanischen Vermessung von z. B. schnellaufenden Gasultrazentrifugen im Vakuum ist es erfor­ derlich, gleichzeitig in mehreren (10-30) Ebenen die Bewe­ gungen des langen Rotors zu erfassen. Da die zeitliche Zuordnung der Wegsignale von großer Bedeutung ist, müssen alle eingesetzten Meßsysteme gleichzeitig und kontinuierlich arbeiten. Bei der Zentrifuge als Meßobjekt kommt jedoch erschwerend hinzu, daß der Rotor zum größten Teil aus nicht­ leitendem Material bestehen kann und sämtliche Komponenten (auch die Metallteile) während des Betriebes nicht galva­ nisch mit dem Bezugspotential verbunden sind, sondern ledig­ lich über die Kapazität, die der Rotor zusammen mit dem Rezipienten bildet, eine Kopplung zum Bezugspotential er­ reicht werden kann. Damit ist eine gegenseitige Beeinflus­ sung der Meßsignale durch das Meßobjekt unvermeidlich.

Messungen an nahezu nichtleitenden Körpern sind mit vertret­ barem Aufwand nur mit Systemen, die auf kapazitiver Basis arbeiten, durchführbar, zumal wenn sich das Objekt im Vakuum befindet. So stehen z. B. kapazitive Wegmeßsysteme der Fa. DISA zur Verfügung, die zu Beginn der Entwicklung der neuen Zentrifugengeneration auch erfolgreich eingesetzt wurden. Bei diesem System wird die Wegänderung als Kapazitätsände­ rung erfaßt und in Form einer Frequenzmodulation, da die interessierende "Wegkapazität" Bestandteil des Oszillator­ schwingkreises ist, einer geeigneten Auswerteschaltung zu­ geführt. Die Oszillatoren arbeiten im Frequenzbereich von 4 - 6 MHz. Die tatsächliche Frequenz wird nun aber nicht ausschließlich nur von dem augenblicklich gemessenen Abstand bestimmt, sondern von vielen parasitären Einflüssen überla­ gert wie Bauform der Meßsonde, Bauteilestreuungen in den Oszillatoren, Länge und Lage der Verbindungskabel Meßsonde/ Abstimmstecker/Oszillator und Umgebungstemperatur.

Solange nur ein Meßsystem je Meßobjekt verwendet wird, haben alle diese Einflußmöglichkeiten nur geringe Auswirkungen auf die Korrektheit des Meßergebnisses, zumal wenn es sich um Kurzzeitmessungen handelt und jeweils unmittelbar vor der eigentlichen Messung eine individuelle Kalibrierung durchge­ führt wird.

Wenn viele Systeme auf ein nicht galvanisch verbundenes nur kapazitiv verkoppeltes Meßobjekt arbeiten, so beeinflussen sich alle Oszillatoren über die gemeinsame Koppelkapazität Rotor/Rezipient. Wenn Oszillatoren auf Frequenzen arbeiten, deren Mischprodukte in die Übertragungsbandbreite der einge­ setzten Demodulatoren fallen, produzieren sie Ausgangssi­ gnale, die überhaupt nicht vom Meßobjekt stammen. Fehlinfor­ mationen können daher bei den herkömmlichen Systemen nicht generell ausgeschlossen werden.

Zusätzlich ist die Langzeitkonstanz bei den zur Verfügung stehenden Systemen so schlecht, daß häufiges Nachkalibrieren notwendig ist, was mit großem Zeitaufwand und an laufenden Zentrifugen sogar noch mit einem hohen Risiko verbunden ist.

Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht nunmehr darin, das e. g. Verfahren und die Schaltungsanordnung zur Durch­ führung desselben derart auszugestalten, daß konstruktiv parasitäre Einflußmöglichkeiten, z. B. durch gegenseitige Beeinflussung der Systeme auf das Meßergebnis, so gering gehalten werden können, daß insgesamt ein Wegmeßsystem mit guter Langzeitkonstanz und hoher Empfindlichkeit erhalten wird.

Insbesondere galt es daher, ein Meßsystem für die Wegmessung an schnellaufenden Zentrifugenrotoren, die aus nichtleiten­ dem Material gefertigt und im Betrieb lediglich über ihre Koppelkapazität Rotor/Rezipient mit der Bezugsmasse verbun­ den sind, zu entwickeln. Dabei war zu berücksichtigen, daß gleichzeitig eine größere Zahl von Einheiten auf das gleiche Meßobjekt arbeiten, eine gegenseitige Beeinflussung der Ausgangssignale prinzipiell ausgeschlossen sein sollte, eine gute Meßgenauigkeit bei einem großen Arbeitsbereich gefor­ dert wurde, der Kalibrieraufwand bezogen auf die Betriebs­ zeit minimal sein sollte, der Kalibriervorgang vom Meßobjekt ins Labor verlagert werden sollte, konstruktiv parasitäre Einflußmöglichkeiten auf das Meßergebnis so gering wie mög­ lich zu halten waren und insgesamt das Wegmeßsystem gute Langzeitkonstanz besitzen sollte.

Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspru­ ches 1 beschrieben.

Die weiteren Ansprüche geben eine Schaltungsanordung sowie vorteilhafte Ausführungsformen derselben an, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.

Das erfindungsgemäße kapazitive Wegmeßsystem benutzt zwar, wie die bislang bekannten, einen hochfrequenten Träger, der durch die Kapazitätsänderung infolge der Abstandsunterschie­ de Meßsonde/Objektoberfläche moduliert wird, aber im Gegen­ satz zu den anderen wird nicht die Frequenz (FM), sondern die Amplitude (AM) bei quarzstabiler Frequenz verändert.

Um, wie gefordert ist, eine gegenseitige Beeinflussung der Systeme über das Meßobjekt zu vermeiden, werden zwei Bedin­ gungen strikt eingehalten:

Die Bandbreite des Demodulators zur Auswertung der Weginfor­ mation ist erheblich kleiner als die Frequenzunterschiede bei den verwendeten Oszillatoren der einzelnen Meßsonden und es sind niemals zwei oder mehrere Meßsysteme mit der glei­ chen Trägerfrequenz am selben Objekt eingesetzt.

Um die Ergebnisse der FM-Geräte nicht nur zu erreichen, sondern bei weitem zu übertreffen, erfolgt eine

• - Steigerung der Empfindlichkeit der abgeschirmten Meßsonde durch Optimierung des Verhältnisses aktive Kodensatorflä­ che zu parasitären Streukapazitäten bei vorgegebenem Maxi­ maldurchmesser, eine
• - Erhöhung der elektrischen Stabilität durch Reduzierung der negativen Beeinflussungsmöglichkeiten am Flanschanschluß durch die Verwendung massiver Komponenten bei kürzest möglichem Abstand Meßsonde/Elektronik, eine
• - Verbesserung der thermischen Stabilität durch Verwendung eines speziell temperierten, doppelwandigen Gehäuses, wobei durch die chemische Vergütung der Oberfläche des Außengehäuses (kleines ε) sowohl der Energieverbrauch als auch die Beeinflussung von der Umgebung minimiert werden, eine
• - Verstärkung der Abschirmung sowohl gegen das Austreten der eigenen als auch die negative Beeinflussung aufgrund ex­ terner HF-Felder durch konstruktive Maßnahmen, ein
• - Anschluß der externen Meßsonde an eine kapazitive Brücke mit optimaler Empfindlichkeit, die gleichzeitig noch einen Teil des Ausgangsschwingkreises der HF-Leistungsendstufe darstellt, eine
• - Verwendung von temperaturkompensierten Bauteilen (TK = 0), eine
• - Stabilisierung der HF-Amplitude zur Speisung der Brücke (AGC) über den vollen Arbeitsbereich der Meßsonde mit Hilfe der anderen Brückenhälfte und unter Einbeziehung äquivalenter Demodulatorbauelemente (Gleichrichterdioden und Darlingtontransistoren) und eine
• - Industriegerechte Aufbereitung der Ausgangssignale als eingeprägte Ströme für eine entfernte Auswertung mit un­ verminderter Genauigkeit.

Mit dem Einsatz des erfindungsgemäßen Wegmeßsystems in großer Stückzahl bei der Endabnahme von Zentrifugenrotoren, die wegen des großen zeitlichen und apparativen Aufwands im Schichtbetrieb durchgeführt wird, konnten folgende Vorteile erzielt werden:

• - Systembedingtes Ausschließen von nahezu allen Fehlermög­ lichkeiten bei der Wegmessung an Zentrifugenrotoren
• - Erhöhung der Meßgenauigkeit
• - Enorme Zeitersparnis durch minimalen Kalibrieraufwand vor Ort
• - Reproduzierbare Ergebnisse über lange Zeiträume ohne Rekalibrierung
• - Verringerung des apparativen Aufwandes
• - Kostenreduzierung sowohl bei der Anschaffung als auch beim laufenden Betrieb der Systeme (keine aufwendige Kalibrier­ mechanik erforderlich).

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels mittels der Fig. 1-3 näher erläutert.

In einem geerdeten (12) Rezipienten 1 gemäß der schemati­ schen Fig. 1, der aus einem gut leitenden Material, wie z. B. Aluminium besteht, dreht sich mit hoher Geschwindigkeit der nahezu reibungsfrei gelagerte und dabei nicht potential­ gebundene Rotor 2. Innerhalb dieses Rezipienten 1 herrschen Vakuumbedingungen 3. Aufgrund der gegebenen geometrischen Bedingungen bilden Rotor 2 und Rezipient 1 einen Zylinder­ kondensator 10. Werden zur Erfassung der Bewegungen des Rotors 2 kapazitive Meßelektroden 4 über isolierte, vakuum­ dichte Durchführungen 5 in einen definierten Abstand zum Rotor 2 gebracht, so bilden diese gegenüber dem Rotor 2 die Kapazitäten (9) C _{x 1} bis C _xn , deren Kapazitätswerte jeweils ein Maß für die individuellen Abstände der einzelnen Sonden 4, 5, 6 gegenüber dem Meßobjekt 2 darstellen. Speisen nun mehrere Wechselspannungsgeneratoren 8 mit gemeinsamem Be­ zugspotential 11 über ihre Innenwiderstände (7) R ₁ bis R _n diese Sonden 4, 5, 6, so fließen die Ströme I ₁ bis I _n über die Kondensatoren (9) C _{x 1} bis C _xn auf den Rotor 2 und von dort über den gemeinsamen Zylinderkondensator C _Zyl (10) zum Rezipienten 1, der auch mit dem Bezugspotential 11 der Wechselspannungsgeneratoren 8 verbunden ist. Der Strom I durch diesen Kondensator 10 ist also die Summe aller indivi­ duellen Sondenströme I _{x 1} bis I _xn und verursacht somit den Spannungsabfall U.

Werden nun beispielsweise nur die Signalwege der beiden ersten Wechselspannungsgeneratoren 8 betrachtet, so kann folgende Maschengleichung aufgestellt werden:

U _{G 1} = I₁ × R₁ + U₁ = I₁ × R₁ + U _{x 1} + U

U _{G 2} = I₂ × R₂ + U₂ = I₂ × R₂ + U _{x 2} + U

Als Meßsignale stehen zur Auswertung lediglich die Spannun­ gen U ₁ und U ₂ zur Verfügung, die sich sowohl aus den eigent­ lich interessierenden Meßgrößen U _{x 1} und U _{x 2} als auch der beiden gemeinsamen Spannung U über den Zylinderkondensator C _Zyl zusammensetzen. Durch die Addition der beiden Wechsel­ ströme in diesem gemeinsamen Koppelkondensator C _Zyl beein­ flussen sich die Signale gegenseitig. Liegen die Träger­ frequenzen (f ₁ und f ₂) nahe beieinander, so entsteht bei der Überlagerung der Wechselgrößen eine Schwebung. Die Aus­ wirkungen auf die ursprünglichen Meßsignale hängen stark von dem Verhältnis sowohl der Frequenzen als auch der Amplituden ab. Beeinflußt werden sowohl Amplitude wie auch Frequenz. Meist ist die resultierende Schwingung keine periodische Funktion mehr, obwohl sie sich aus periodischen, sinusförmi­ gen Schwingungen zusammensetzt. Je nach Unterschied bei den Trägerfrequenzen fn der kapazitiven Meßsysteme werden somit Signale erzeugt, die nicht vom Meßobjekt 2 stammen. Sie sind von den Nutzsignalen nicht zu unterscheiden.

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem korrekte Meßergebnisse zu erzielen sind. Den kapazitiven Meßsonden (4, 5, 6) ist jeweils eine Elek­ tronik-Einheit (28 bzw. E) E ₁, E ₂...E _n mit gemeinsamem Be­ zugspotential 11 zugeordnet, die einen Generator G und eine Signalverarbeitungskette S beinhaltet.

Der Einfluß der Kapazität C _Zykl (10) auf das Meßergebnis wird zum einen dadurch beseitigt, daß den Meßsonden 4, 5, 6 unterschiedliche Trägerfrequenzen f ₁, f ₂...f _n zugeordnet werden, und zum anderen, daß die Signalverarbeitungsketten S ₁, S ₂...S _n einen Tiefpaßcharakter mit der Grenzfrequenz fg aufweisen, wobei stets gewährleistet sein muß, daß die Ab­ stände Δ fn der Trägerfrequenzen f ₁, f ₂...f _n untereinander wesentlich größer sein müssen als die Grenzfrequenz fg.

Das Auslegungskriterium für die Grenzfrequenz fg bildet der Frequenzbereich der auszuwertenden Nutzsignale der Sonden 4, 5, 6.

Die von den Meßsonden 4, 5, 6 kommenden Signale beinhalten auch die parasitären Schwebungsfrequenzen f _{x 1}, f _{x 2}...f _xn , die jedoch alle oberhalb der Grenzfrequenz fg der Signalver­ arbeitungskette S liegen und daher bei der Auswertung nicht berücksichtigt werden.

Fig. 3 zeigt das Blockbild eines Ausführungsbeispiels der Elektronikeinheit 28 oder E, die sowohl den Generator G als auch die Signalverarbeitungskette S beinhaltet. Ein quarz­ stabiler HF-Oszillator 8 speist über einen Amplitudenregler 13 die HF-Endstufe 14, an die eine kapazitive Brücke 15 angeschlossen ist. Die Meßsonde 4, 5, 6 bildet einen der vier Brückenkondensatoren. Mit dem Demodulator 16 werden von jeder Brückenhälfte, also sowohl von dem festen als auch von dem über die Sonde 4, 5, 6 veränderbaren Zweig, Ausgangssi­ gnale U _M (17) und U _R (18) erzeugt. Die Spannung des festen Brückenzweigs U _R (18) dient einmal zur Stabilisierung der HF-Amplitude über den Regler 13, dem dazu noch die hochsta­ bile Referenzspannung 24 zugeführt wird. Zum anderen bildet sie zusammen mit der Spannung U _M (17), die durch die Kapazi­ tätsänderung der Meßsonde 4, 5, 6 infolge der Abstandsän­ derung zum Meßobjekt 2 beeinflußt wird, über den Differenz­ verstärker 19 das eigentliche Nutzsignal. Zur Vermeidung von Erdschleifen wird das Signal, galvanisch getrennt 20, einem U/I-Wandler 21 zugeführt, der dann einen eingeprägten Strom am Ausgang zur Verfügung stellt. Durch einen geeigneten externen Abschlußwiderstand 23 wird das Stromsignal nach der störsicheren Übertragung auch über größere Entfernungen 22 wieder in eine Spannung umgeformt und steht zur weiteren Auswertung zur Verfügung.

Zur Vermeidung von Temperatureinflüssen auf die Signalerzeu­ gung und -verarbeitung ist das Gehäuse 28 zweischalig ausge­ führt. Das Innengehäuse wird über einen Temperaturregler 25 auf einem konstanten Wert gehalten. Dazu erfaßt dieser Reg­ ler die Isttemperatur des Gehäuses über einen Fühler 26 und vergleicht sie mit der hochstabilen Referenzspannung 24. Sein Ausgang speist die Flächenheizung 27 des inneren Ge­ häuses.

Für Test- und Kalibrierzwecke stehen die notwendigen Hilfen 31 dem Anwender zur Verfügung, um diese Arbeiten im be­ triebsmäßigen Zustand durchführen zu können.

Gespeist wird die gesamte Elektronikeinheit von einer exter­ nen Stromversorgung 30. Da der Einsatzort der Einheit sehr variabel und somit auch die Länge des Verbindungskabels zur Stromversorgung 30 sehr unterschiedlich sein können, ist zusätzlich eine interne Mehrfachstromversorgung 29 vorhan­ den, die die Verluste auf der Speiseleitung ausregelt und auch die potentialfreien Versorgungsspannungen für den Trennverstärker 20 bereitstellt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Messung des Eigenschwingverhaltens eines um eine Achse rotierenden langgestreckten Körpers unter Verwendung der berührungslosen kapazitiven Wegmessung, wobei mindestens zwei Meßsonden so angeordnet werden, daß sie die individuellen, den Abstand zwischen einer jewei­ ligen Meßelektrode und dem Körper repräsentierenden Kapa­ zitätswerte aufnehmen, und der Körper selbst zu seiner Umgebung hin eine Gesamtkapazität bildet, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) jede Meßsonde (4, 5, 6) mit vorgegebener Trägerfre­ quenz (fn) betrieben wird,
• b) alle diese Trägerfrequenzen (fn) untereinander um bestimmte Beträge unterscheidbar ausgewählt werden,
• c) die Signale der Meßsonden (4, 5, 6) jeweils eine Signalverarbeitungskette (S) mit Tiefpaßcharakter und gleicher Grenzfrequenz (fg) durchlaufen und
• d) die Abstände (Δ fn) aller Trägerfrequenzen (fn) unter­ einander größer ausgelegt werden als die Grenzfrequenz (fg).

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (2) galvanisch getrennt von einem Rezipienten (1) angeordnet ist, wobei der Rezipient (1) die Umgebung bildet, daß die Meßsonden (4, 5, 6) isoliert gegenüber dem Rezipienten (1) in definierten Abständen zum Körper (2) befestigt sind, daß Generatoren (G) mit gemeinsamem Bezugspotential (11) die Meßsonden (4, 5, 6) speisen, daß der Rezipient (1) ebenfalls mit dem Bezugspotential (11) verbunden ist und daß eine Signalverarbeitungskette (S) pro Meßsonde (4, 5, 6) vorgesehen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Signalverarbeitungsketten (S) identisch mit gleicher Grenzfrequenz (fg) ausgelegt sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Signalverarbeitungskette (S) mit dem der Meßsonde (4, 5, 6) zugeordneten Generator (G) in einem gemeinsamen, das Bezugspotential (11) bildenden Ge­ häuse (28) untergebracht sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder einem der fol­ genden, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (G) einen HF-Oszillator (8) mit einer Trägerfrequenz (f 1....fn) aufweist, der über einen Amplitudenregler (13) eine HF-Endstufe (14) speist, an die eine kapazitive Brücke (15) mit der jeweiligen Meßsonde (4, 5, 9) als Brückenkondensator angeschlossen ist, und daß ein Demodu­ lator (16) von jedem Brückenzweig ein Ausgangssignal (U _M , U _R bzw. 17, 18) erzeugt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder einem der fol­ genden, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulator (16) mit einem Differenzverstärker (19), einem Trennverstärker (20) und einem U/I-Wandler (21) die Signalverarbeitungs­ kette (S) bildet.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder einem der fol­ genden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U _R ) des festen Brückenzweiges als Stabilisierung der HF-Amplitude über den Regler (13) dient.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder einem der fol­ genden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler (13) eine hochstabile Referenzspannung (24) zugeführt wird.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder einem der fol­ genden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturstabi­ lisierung (25-27) vorgesehen ist.