DE4447295A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer jeweiligen örtlichen Position eines Körpers durch kapazitive Abtastung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer jeweiligen örtlichen Position eines Körpers durch kapazitive AbtastungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbe
griff des Anspruchs 2 und bezieht sich allgemein auf
Auswerteschaltungen in Verbindung mit eine kapazitive
Abtastung bei Weg-, Winkel- oder Positions-Gebern
ermöglichenden peripheren Schaltungen, so daß sich die
Positionen von bewegbaren Körpern berührungsfrei erfassen
lassen.
Hierfür werden in den meisten Fällen Spannungsteiler
schaltungen in Analogtechnik eingesetzt, die entweder
nach dem bekannten Potentiometerprinzip als Weggeber,
Stellwiderstände oder Potentiometer ausgebildet sind oder
auch in Form von Induktivitäten, beispielsweise als
Differentialspulen, Differentialtransformatoren, Indukti
vität mit Kurzschlußwicklungen in Form eines Rohres,
eingesetzt werden.
Bei einem analogen Widerstandspotentiometer dient ein
aufgespritzter oder auch aufgedampfter Niederschlag auf
einem Substrat als Widerstandsbahn, auf welcher ein
Schleifer in Kontaktberührung gleitet, so daß dieser in
die Lage versetzt wird, je nach seiner Position unter
schiedliche Gleichspannungspotentiale der Widerstandsbahn
abzugreifen und üblicherweise über eine direkt mit ihm
verbundenen Kollektorschleifer auf eine Kollektorbahn zu
übertragen, an welcher das abgegriffene Potential zur
Auswertung verfügbar ist. Solche Potentiometer, die in
bestimmten Ausführungsformen mit sehr hoher Präzision als
Weg- oder Meßwertgeber eingesetzt werden können, können
unter bestimmten Bedingungen aufgrund der ständigen
Kontaktgabe, die letztlich auch zu Abnutzungen bei
schnellen Schleiferbewegungen führt, Probleme aufweisen,
die eine berührungslose Erfassung entsprechender Meßwerte
erstrebenswert machen.
Wird anstelle der ebenfalls berührungslos arbeitenden,
jedoch eine gewisse Meßungenauigkeit und unter Umständen
auch Nichtlinearitäten aufweisenden induktiven Meßsyste
men ein kapazitiver Positionssensor oder Wegaufnehmer
eingesetzt, wie er beispielsweise aus der DE 28 26 398 C2
bekannt ist, dann muß mit unter Umständen durchaus
erheblichen Verfälschungen des gewonnenen Meßwertes durch
den Einfluß von Streukapazitäten und Ableitwiderständen
gerechnet werden, die zumeist nicht hinnehmbar sind.
Der kapazitive Wegaufnehmer der DE 28 26 398 C2 besteht
aus einem Paar schräg unterteilter, gegeneinander
isolierter Kondensatorplatten, an denen eine Wechsel
spannung anliegt und wobei ein als Abgriff dienender,
zwischen diesen Kondensatorplatten um den abzugreifenden
Weg verstellbare Zwischenplatte über ein Verbindungskabel
mit dem Eingang einer Auswerteschaltung verbunden ist.
Durch die Bewegungen des Abgriffs ergeben sich auf das
Verbindungskabel und dessen Anschlußpunkte ständig sich
verändernde Kräfte, die nicht nur eine beschleunigte
Alterung des Wegaufnehmers bewirken, sondern gerade durch
die Lage- und Wegänderungen des Kabels gleichzeitig zu
Kapazitätsänderungen und sich ändernden Streukapazitäten
sowie veränderlichen Ableitwiderständen führen, die eine
nicht definierbare und vor allen Dingen auf diese Weise
auch nicht zu kompensierende Störgröße bedeuten.
Die Auswerteschaltung umfaßt bei diesem bekannten
Weggeber einen Operationsverstärker, dessen einer Eingang
über das Verbindungskabel mit der verschiebbaren Zwi
schenplatte, die als Abgriff dient, verbunden ist und
dessen anderer Eingang über einen an Masse geschalteten
Widerstand mit dem rückgeführten Meßwertsignal beauf
schlagt ist. Der Ausgangsanschluß des Operationsver
stärkers liegt über einen Gleichrichter an weiteren
Verstärkungselementen, von denen einer als Emitterfolger
geschaltet ist. Da bei einer solchen Auswerteschaltung
die auftretenden Streukapazitäten in der Größenordnung
der Meßkapazität liegen und der Eingangswiderstand des
Verstärkers bei üblichen Frequenzen im Bereich der
Impedanz des Sensors, ist eine genaue und streng lineare
Ausgangsspannung nicht zu erwarten.
Bei weiteren kapazitiven Wegmeßgebern, die auf Aus
werteschaltungen gar nicht oder nur in Form eines
einfachen nachgeschalteten Verstärkers eingehen
(DE 34 41 217), liegt eine dicht gedrängte, einen
mäander- oder zickzackförmigen Verlauf aufweisende
Widerstandsleiterbahn auf einer Substratfläche auf, wobei
sich in einem Abstand zu dieser Widerstandsleiterbahn ein
verschiebliches Abgriffselement befindet, welches
flächenartig als Kreisring ausgebildet ist und auf diese
Weise das jeweilige Potential kapazitiv auskoppelt und
über eine Verbindungsleitung einem aus einem Voltmeter
bestehenden Meßkreis zuführt. Allerdings liegt die
Leiterbahn an einer Versorgungsgleichspannung, so daß
eine kapazitive Meßwerterfassung nur im Verlauf einer mit
einer entsprechend hohen Geschwindigkeit erfolgenden
Verschiebung möglich ist und eine stationäre Positions
bestimmung infolge eines dann fehlenden Meßwertes nicht
erfolgen kann. Auch hier ergeben sich in gleicher Weise
auf Streukapazitäten und Ableitwiderständen zurückzufüh
rende Störgrößen, die nicht beseitigt werden können.
Bekannt ist es schließlich bei einem Galvanometer, den
Zeiger des Galvanometers als bewegliches Element mit
einem Wechselspannungsanschluß zu verbinden, wobei sich
der Zeiger flächig im Abstand über ein Widerstandselement
bewegt, so daß an diesem durch kapazitive Einkopplung ein
Spannungsabfall entsteht, der als Angabe der Zeigerposi
tion ausgewertet werden kann (US-PS 3 636 449).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen berüh
rungslosen, auf kapazitiver Grundlage arbeitenden
Positionssensor und dessen Auswerteschaltung so auszubil
den, daß sich eine besonders geringe Störempfindlichkeit
bei hoher Meßwertgenauigkeit ergibt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 und hat den Vorteil, daß
trotz Verwendung weitgehend unkritischer und preisgün
stiger Bauteile der Einfluß von Streukapazitäten und
Ableitwiderständen bei der berührungslosen, durch
kapazitive Kopplung erfolgenden Wegmessung entweder gar
nicht auftritt oder jedenfalls auf einem die gewünschte
Meßgenauigkeit nicht beeinflussenden Niveau gehalten
werden kann.
Die Erfindung benötigt hierzu keine aufwendige Schirmung,
da es ihr gelingt, den Einfluß von Streukapazitäten gegen
Masse sowie den Eingangswiderstand der Schaltung auszu
gleichen, und zwar durch eine Regelung der Gesamtver
stärkung und/oder der Versorgung der Spannungsverteiler
schaltung, bei der es sich bevorzugt um eine übliche
Widerstandsbahn handelt, wie sie auch bei Potentiometer-
Weggebern Verwendung findet. Diese Regelung erfolgt in
Verbindung und im Zusammenhang abgestimmt auf Umschaltun
gen, die an verschiedenen Stellen der Auswerteschaltungen
vorgenommen werden.
So beruht ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung darauf, daß durch getaktete Auftrennung von
Verbindungsleitungen zwischen der die Widerstandsbahn
speisenden Signalquelle und der Widerstandsbahn zwischen
zwei Meßphasen unterschieden wird, nämlich einer ersten
Phase I, in welcher die dann über der gesamten Länge der
Widerstandsbahn - unabhängig von der Position der deren
Spannungsverteilungsmuster abtastenden kapazititen
Potentialsonde - anliegende volle Spannung von dieser
erfaßt und mit einer Referenzspannung verglichen wird,
und einer zweiten Meßphase, in welcher der erfaßte
Meßwert ausgewertet werden kann. Dabei erfolgt in der
Phase 1 ein entsprechender Abgleich der Verstärkung des
kapazitiv von der Potentialsonde erfaßten Meßwerts
und/oder eine Beeinflussung der die Widerstandsbahn mit
steuerbarer Amplitude speisenden Signalquelle, so daß in
der Meßphase II auftretende Veränderungen, in welcher
eine Seite der Widerstandsbahn wieder an der Regel
spannung liegt, ausschließlich auf die entsprechende
wegabhängige Position der Potentialsonde zurückzuführen
sind und sonstige Einflüsse aufgrund von Streukapazitäten
oder Ableitwiderständen herausfallen, die nämlich durch
die Verstärkungsänderung in der Vergleichsphase I mit der
Referenzspannung schon ausgeglichen worden sind. Voraus
setzung hierfür ist, daß sich die beteiligten Schaltungs
komponenten linear verhalten, was der Fall ist.
Ein solcher Ausgleich des durch Streukapazitäten und
Ableitwiderstände hervorgerufenen Störspannungsabfalls
durch eine Regelung der Gesamtverstärkung ist auch
möglich, wenn an dem mit Masse verbundenen Ende der
Widerstandsbahn in der Meßphase am anderen Ende eine
gegenphasige Spannung anliegt, so daß auch in diesem Fall
ein Spannungsabfall über die Spannungsteilerstrecke
stattfindet.
Ferner ist es bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
möglich, den Spannungsteiler mit einer Wechselspannung so
zu speisen, daß abwechselnd an einem Ende eine Wechsel
spannung angelegt wird, während das andere Ende an Masse
liegt. Dadurch erscheint am Ausgang abwechselnd eine
Spannung, die dem Spannungsteilerverhältnis bzw. dessen
Differenz zu 1 entspricht. Regelt man die Verstärkung
dann so, daß die Summe der Referenzspannung entspricht,
erhält man zwei gegenläufige Ausgangsspannungen, die dem
Spannungsteilerverhältnis, also dem gewünschten Meßwert,
und der Referenzspannung entsprechen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten weiteren
Maßnahmen sind ebenfalls vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen der Erfindung möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 stark schematisiert als eine mögliche Aus
führungsform den mechanisch-konstruktiven
Aufbau eines bevorzugten kapazitiven Weggebers
mit Meß- und Koppelkondensatoranordnung;
Fig. 2 schematisiert eine Potentialverteilung über
einem als Widerstandsbahn ausgebildetem Span
nungsverteilungselement, welches von einer
Potentialmeßsonde abgetastet wird;
Fig. 3 stellt anschaulich die kapazitive Beziehung
der Potentialmeßsonde zur Widerstandsbahn dar;
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung,
schematisiert in Form eines Blockschaltbildes,
bei welcher der gesamte Arbeitszyklus in eine
Vergleichs- und Abgleichphase I und in eine
Meßphase II durch entsprechende Spannungs
steuerung einer Widerstandsbahn unterteilt
ist;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung als
Blockschaltbild, bei welcher über im vorgege
benen Zeitraster geschaltete Schalter beiden
Enden der Widerstandsbahn entweder die gleiche
Spannung oder nur ein Ende an Spannung gelegt
wird;
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
in Form eines Blockschaltbilds, bei welcher
die Widerstandsbahn mit phasenverschobener
Speisespannung beaufschlagt ist;
Fig. 7 ein zur Schaltung der Fig. 6 gehörendes Span
nungs-/Zeitdiagramm;
Fig. 8 eine Ausführungsform der Erfindung in Form
eines Blockschaltbildes, bei welcher der
Widerstandsbahn gegenläufige Versorgungswech
selspannungen zugeführt werden, wobei die
Fig. 9 die beiden sich hierdurch ergebenden unter
schiedlichen Kennlinien und deren Summenver
lauf angibt; schließlich zeigen die
Fig. 10 und 11 zwei verschiedene Lösungsmöglichkeiten
bezüglich einer möglichen Schirmung und
Potentialtrennung bestimmter Schaltungs
komponenten.
Der Grundgedanke besteht darin, für einen Positionssensor
auf kapazitiver Grundlage eine Auswerteschaltung zur
Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, die üblicher
weise an Kondensatorbereichen und Leitungsstrecken
auftretenden Leck- und Fehlerströme zuverlässig auszu
gleichen und auf diese Weise einem solchen Positions
sensor eine bisher nicht mögliche Genauigkeit zu ver
leihen, so daß sich in Verbindung mit den bekannten
Vorteilen eines auf kapazitiver Grundlage arbeitenden
Sensors Berührungsfreiheit, Alterungsbeständigkeit u. dgl.
eine Neukonzeption von entscheidender technischer
Bedeutung ergibt. Die Kompensation erfolgt dadurch, daß
die Wechselstromversorgungsspannung am von einer Potenti
almeßsonde abgetasteten Spannungsverteilerelement,
welches üblicherweise eine Widerstandsbahn ist, umge
schaltet wird, so daß sich neben Meßphasen Vergleichs-
und Abgleichsphasen ergeben, die rückwirkend entweder auf
die Wechselstromspannungsversorgung des Widerstands
elements oder auf Verstärker im Auswertebereich so
einwirken, daß der Einfluß der Störgrößen verschwindet.
In diesem Zusammenhang sind eine Vielzahl von Ausfüh
rungsbeispielen, auf die im folgenden noch eingegangen
wird, möglich, wobei der auf kapazitiver Grundlage
arbeitende Positionssensor hinsichtlich seines mecha
nisch-elektrischen Aufbaus bevorzugt so ausgebildet ist,
wie dies im folgenden anhand der Darstellung der Fig. 1
zunächst erläutert wird. Diese Erläuterung dient auch
einem besseren Verständnis der Erfindung, wobei im
übrigen gerade ein solcher Aufbau, wie er in Fig. 1
schematisiert angegeben ist, die angestrebte Störgrößen
freiheit des Sensors nicht unwesentlich fördert und
insofern auch den jeweiligen Auswerteschaltungen zu
besonderer Wirksamkeit verhilft.
Der in Fig. 1 gezeigte Positionssensor 10 auf kapazitiver
Grundlage umfaßt einen Potentialmeßbereich 11 und einen
Potentialkoppelbereich 12, wobei bei diesem Ausführungs
beispiel der Potentialmeßbereich ein echtes Spannungs
teilerelement 13 mit stetigem Spannungsverlauf ist,
beispielsweise und bevorzugt also eine Widerstandsbahn,
wie sie üblicherweise bei Meßwertgebern auf potentiome
trischer Grundlage (in diesem Falle gleichstromgespeist)
oder bei Drehpotentiometern üblich ist.
Den beiden Endanschlüssen 13a, 13b der Widerstandsbahn
des Spannungsteilers wird dabei von einer erst bei den
folgenden Ausführungsbeispielen im einzelnen erläuterten
Speise- und Auswerteschaltung 14 eine Speisewechsel
spannung konstanter, gegebenenfalls aber auch steuerbarer
Amplitude zugeführt, wobei bei dem dargestellten Aus
führungsbeispiel einer der Anschlüsse, beispielsweise 13b
mit Masse verbunden ist, so daß sich anschaulich erkennen
läßt, daß sich über der Widerstandsbahn des Spannungs
teilers eine vom Anschlußpunkt 13a zum Anschlußpunkt 13b
in ihrer Amplitude abfallende Wechselspannungsverteilung
ergibt.
Der Widerstandsbahn des Spannungsteilers 13 ist berüh
rungslos, also im vorgegebenen Abstand eine Potentialmeß
sonde 15 zugeordnet, die auf diese Weise mit der Wider
standsbahn in einer kapazitiven Wirkverbindung steht und
daher auch in der Lage ist, das sich über dem Weg s (in
Meßrichtung) ändernde Wechselspannungspotential über der
Widerstandsbahn abzugreifen, wobei die in diesem Fall
rechteckplattenförmige Potentialmeßsonde 15 integrierend
bzw. mittelwertbildend wirkt und immer eine solche
Wechselspannungsamplitude abgreift, wie sich dieser als
Mittelwert aus der Position der Potentialmeßsonde ergibt.
Potentialmeßbereich 11 und Potentialkoppelbereich 12 sind
elektrisch voneinander in geeigneter Weise isoliert,
wobei der Potentialkoppelbereich 12 ebenfalls über einen
beweglichen Sondenteil, nämlich eine Potentialkoppelsonde
17 verfügt, die sich in einem vorgegebenen Abstand, also
auch hier berührungsfrei über der durchweg elektrisch
leitenden Elektrodenfläche 16 des Potentialkoppelbereichs
12 synchron zur Potentialmeßsonde verschiebt. Dabei sind
die jeweiligen, in diesem Fall rechteckförmigen Flächen
von Potentialmeßsonde und Potentialkoppelsonde mindestens
elektrisch, bevorzugt aber auch von ihrem mechanischen
Aufbau her miteinander verbunden, bilden also ein
gemeinsames Bauelement, beispielsweise eine Doppelkupfer
plattenanordnung, die von einer geeigneten, nicht
dargestellten Lagerung gemeinsam über den zugeordneten
Flächen von Widerstandsbahn bzw. Koppel-Elektrodenfläche
in Meßrichtung verschoben wird.
Die jeweiligen Flächen von Potentialmeßsonde 15 und
Potentialkoppelsonde 17 bilden mit den jeweiligen
Gegenflächen der Widerstandsbahn bzw. der Elektroden
fläche 16 einen Kondensator, die in den nachfolgenden
Auswerteschaltungen als Meßkondensator CM bzw. als
Koppelkondensator CK bezeichnet sind und deren Kapazität
über dem Verschiebeweg annähernd unverändert bleibt, so
daß Kapazitätsänderungen die Meßwertbildung nicht beein
flussen.
Auf diese Weise überträgt die Potentialkoppelsonde 17 das
von der Potentialmeßsonde 15 abgegriffene Wechselspan
nungs-Amplitudenmeßsignal kapazitiv getreu auf die
Elektrodenfläche 16 des Potentialkoppelbereichs 12, wobei
lediglich noch ein einziger, sich in seiner Position
nicht verändernder Anschluß 16a vorgesehen ist, an
welchem das erfaßte Spannungsamplitudensignal auf den
Eingang 18 der Speise-/Auswerteschaltung 14 gelangt.
Der physikalisch-theoretische Zusammenhang ist daher so,
daß sich auf der "Potentiometer"-Widerstandsbahn ent
sprechend der Darstellung der Fig. 2 bei Wechselstrom-
Speisung eine Potentialverteilung nach folgender Formel
einstellt:
oder als elektrische Feldverteilung ausgedrückt
Dabei ist jeweils, wie auch die Fig. 2 zeigt,
ϕ1 < ϕ2 < ϕ3 < ϕ4 < . . .
Da es sich um eine Wechselspannung handelt, kann das
Potential folgendermaßen dargestellt werden:
ϕ = ϕo · sign[sin(ω · t)]
mit
o = Amplitude des Potentials
ω = Kreisfrequenz 2πν
ν =Frequenz
t = Zeit
o = Amplitude des Potentials
ω = Kreisfrequenz 2πν
ν =Frequenz
t = Zeit
Das gesamte System läßt sich als Kondensator auffassen,
welches aus lauter kleinen Kondensatoren zusammengesetzt
ist, wie die Darstellung der Fig. 3 im einzelnen angibt.
Die Kondensatorgleichung lautet:
C = εr · εo · A/α
mit
C: Kapazität
εr: relative Dielektrizitätskonstante
A: Fläche des Kondensators
d: Abstand (der Platten)
C: Kapazität
εr: relative Dielektrizitätskonstante
A: Fläche des Kondensators
d: Abstand (der Platten)
Die Kapazität ergibt sich aus
Für die Kapazitäten soll gelten:
Das abgegriffene Potential hängt in linearer Beziehung
vom Ort x ab. → ϕ = ϕ(x). Über die Teilkapazitäten ≡ Ci
fließen Verschiebungsströme Ii in die Sonde, dabei gilt:
Für den gesamten Verschiebestrom I gilt dann:
d. h. die einzelnen Spannungsamplituden werden aufaddiert
zu einem gesamten Verschiebungsstrom I.
Daher gehen selbst kleinste Verschiebungen der Platte der
Potentialmeßsonde in die abgegriffene Wechselspannungs
amplitude ein, da sich das Verhältnis der Teilspannungen
bei einer Verschiebung um δs natürlich ändert. Die
Aufnahme des Meßsignals erfolgt berührungsfrei, des
gleichen seine Übertragung auf die stationäre Elektroden
fläche 16, so daß ein solcher Positionssensor keinem
mechanischen Verschleiß ausgesetzt ist und schon an
dieser Stelle keine variablen Störgrößen wie beispiels
weise variable Streukapazitäten auftreten, die beispiels
weise schon durch Biegung von Verbindungsleitungen bzw.
Übergangswiderständen bei Schleifkontakten erzeugt werden
können.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Auswerteschaltung
ist in Fig. 4 dargestellt. Die Widerstandsbahn 20 liegt
an einer Speisewechselspannungsquelle 21, die auf einer
Seite bei 22 mit Masse verbunden ist. Die Potentialsonde
bildet mit dem jeweils zugeordneten Teil der Widerstands
bahn 20 einen ersten Meßkondensator CM, der in Reihe
liegt mit dem Koppelkondensator CK, wobei in dem Schalt
bild der Fig. 4 noch Streukondensatoren CS gegen Masse
bzw. Widerstandsbahn oder sonstige Zuleitungen einge
zeichnet sind, zusammen mit einem Eingangskondensator CE
und einem Eingangswiderstand RE am Eingang eines Ver
stärkers 23 mit steuerbarer Verstärkung, die ebenfalls
als Störgrößen in Erscheinung treten.
Der Verstärkerausgang liegt parallel über im Gegentakt
geschaltete Schalter S1, S2, die natürlich auch elek
tronische Schalter sein können, an einem ersten Gleich
richter 24, dessen Ausgang mit einem Regler 25 verbunden
ist (beispielsweise ein Operationsverstärker), dessen
anderem Eingang eine Vergleichsspannung Uref zugeführt
ist. Zur Zwischenspeicherung des Gleichrichterausgangs
signals ist noch ein Speicherkondensator 26 am Eingang
des Reglers 25 vorgesehen.
Der Ausgang des Reglers ist mit dem Verstärker 23 mit
steuerbarer Verstärkung verbunden und kann optional
(allein oder in Verbindung mit einer Beeinflussung des
Verstärkers 23) auch noch auf die Speisewechselspannungs
quelle 21 einwirken, so daß diese eine Signalquelle mit
steuerbarer Amplitude darstellt.
Ein paralleler Ausgangszweig umfaßt ebenfalls einen
Gleichrichter 27 in Reihe mit einem Tiefpaß 28, falls
gewünscht, an dessen Ausgang das Meßsignal (UA) anliegt;
die Schalter S1 und S2 sind synchron so mit einem in der
Versorgungsleitung zur Widerstandsbahn 20 liegenden
Schalter S3 geschaltet, daß sich abwechselnd die in der
Fig. 4 dargestellten Schaltzustände ergeben, was bedeu
tet, daß der Schalter S3 immer offen ist, wenn der
Schalter S1 geschlossen ist bzw. umgekehrt; der Schalter
S2, der die Meßwert-Aufbereitungselemente mit dem Ausgang
des Verstärkers 23 verbindet, ist dann geschlossen, wenn
auch an der Widerstandsbahn 20 die Versorgungswechsel
spannung bei geschlossenem Schalter S3 anliegt, wobei der
Schalter S1 geöffnet ist, so daß zu diesem Zeitpunkt bzw.
in dieser Arbeitsphase keine Verstärkungsänderungen oder
Änderungen in der Amplitude der Versorgungsspannung
auftreten.
Die Grundfunktion eines solchen Schaltungsaufbaus, der
einer Vielzahl von Varianten zugänglich ist, ist dann so,
daß in einer ersten Phase bei geöffnetem Schalter S3, zu
welcher auch der Schalter S2 geöffnet und der Schalter S1
geschlossen ist - für die entsprechende Ansteuerung sorgt
eine Steuerlogikschaltung 29 -, der Spannungsteiler von
der Speisewechselspannungsquelle 21 so gespeist ist, daß
beide Enden gleiche Spannung haben, da bei geöffnetem
Schalter S3 über die Widerstandsbahn kein Spannungsabfall
auftritt, unabhängig davon, an welcher Stelle sich die
Potentialmeßsonde befindet. Die Potentialmeßsonde tastet
daher an jeder Position die gleiche Spannung ab, die nach
Verstärkung am Verstärker 23 und Gleichrichtung am
Eingang des Reglers 25, der bevorzugt ein I-Regler ist,
mit der Referenzspannung verglichen wird. Der I-Regler 25
regelt dann die Verstärkung des Verstärkers 23 so nach
(oder beeinflußt die Amplitude der in diesem Fall
steuerbaren Speisewechselspannungsquelle 21 so), daß am
Ausgang des Gleichrichters 24 bzw. an dem einen letztlich
mit dem Verstärker 23 verbundenen Eingang des I-Reglers
25 eine der Referenzspannung Uref entsprechende Ausgangs
spannung erscheint, wohlgemerkt in der Vergleichsphase,
in welcher die Ausgangsspannung der Meßsonde von deren
Position unabhängig ist. Gleichzeitig ist dieses in der
Vergleichsphase von der Potentialmeßsonde erfaßte Signal
ein Maß für die Übertragung von der Widerstandsbahn 20
auf die Meßsonde und für das Übertragungsverhältnis
überhaupt, welches von dieser Auswerteschaltung reali
siert wird. Da es sich aber um ein linear arbeitendes
System handelt, gilt dieses Übertragungsverhältnis auch
für Teilspannungen, d. h. dann, wenn die Widerstandsbahn
20 effektiv als Spannungsteiler arbeitet.
Dies geschieht in der Meßphase II, in welcher der
Schalter S3 geschlossen ist und daher von der Potential
meßsonde ein ihrer Position entsprechendes Wechsel
spannungsamplitudensignal abgetastet wird, so daß durch
dieses Umschalten und Beeinflussen der Verstärkereigen
schaften bzw. der Amplitude der Versorgungsquelle
sämtliche auf Störgrößen zurückzuführende Einflüsse
eliminiert sind.
In der Meßphase wird das gewonnene Signal bei geschlosse
nem Schalter S2 vom Gleichrichter 27 gleichgerichtet und
gelangt über den Tiefpaß 28 zum Meßausgang, wobei dieses
Signal dadurch, daß die Verstärkung so eingestellt worden
ist, daß bei voller Spannung ein der Referenzspannung Uref
entsprechendes Signal erscheint, nunmehr dem Spannungs
teilerverhältnis proportional sei, d. h. der Meßsondenpo
sition entspricht.
Das anhand der Darstellung der Fig. 4 erläuterte Grund
prinzip der Zerlegung des Meßvorgangs in eine Vergleichs-
bzw. Abgleichphase und in eine Meßphase ist einer
Vielzahl von unterschiedlichen Ausführungsformen zugänglich,
wobei bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbei
spiel so vorgegangen wird, daß über Schalter 30, 30′ an
beiden Anschlußenden der Widerstandsbahn Wechselspannun
gen Uv1 bzw. Uv2 zugeführt werden, wobei die Schalter 30,
30′ von einer Schalter-Ablaufsteuerung 31 so geschaltet
werden, daß entweder an beiden Anschlußenden der Wider
standsbahn 20′ die gleiche Spannung liegt, also Uv1 = Uv2
ist, so daß kein Spannungsabfall stattfindet, während in
der darauffolgenden Meßphase nur an ein Ende der Wider
standsbahn 20′ Spannung angelegt wird und das andere Ende
durch die Schaltersteuerung an Masse gelegt wird, so daß
sich ein Spannungsabfall über der Spannungsteilerstrecke
ergibt, oder, was das gleiche ist, an das andere Ende
wird eine zur Spannung am einen Ende gegenphasige
Spannung angelegt, so daß auch in diesem Fall ein
Spannungsabfall über der Spannungsteilerstrecke statt
findet.
In der ersten Vergleichsphase I ohne Spannungsabfall
gelangt die Sondenspannung Us, die von der Sonde 32
erfaßt wird, nach Verstärkung am (steuerbaren) Verstärker
33 und Synchrongleichrichtung am Gleichrichter 34 als
Gleichspannung Ugv zum Summenpunkt 36, an welchem die
Differenz mit der zugeführten Referenzspannung Uref
gebildet wird. Diese Differenzgleichspannung wird auf den
nachgeschalteten Regler 37 geführt, dessen Ausgang dann
entweder, wie weiter vorn schon erwähnt, auf den Eingang
zur Verstellung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers
33 arbeitet oder - alternativ - die von dem Wechsel
spannungsgenerator 38 gelieferten Amplituden der Spannun
gen Uv1 und Uv2 einstellt.
Auch hier gelangt in der Meßphase die der Sondenposition
entsprechende Meßausgangsspannung UA über den Synchron
gleichrichter 35 zum Meßausgang. Da die Verstärkung bzw.
die Speisespannungen der Potentiometerbahn aus der
Vergleichsphase her so eingestellt sind, daß bei voller
Spannung einer Referenzspannung entsprechende Signale
erscheinen, ist die Ausgangsspannung UA dem Spannungsver
teilerverhältnis und der Referenzspannung proportional.
Es ist entsprechend dem Schaltungsaufbau der Fig. 6 auch
möglich, mit phasenverschobenen Speisespannungen für die
Widerstandsbahn 20′ zu arbeiten, wobei sich Spannungsver
läufe an den verschiedenen Schaltungspunkten entsprechend
dem in Fig. 7 gezeigten Diagramm ergeben. Die einzelnen
Schaltungskomponenten tragen in der Darstellung der Fig. 6
und den folgenden dann, wenn sie mit den Komponenten der
Fig. 5 identisch sind, die gleichen Bezugszeichen; bei
geringfügig veränderten Funktionen ergänzt durch einen
Beistrich oben.
Durch die Phasenverschiebung der beiden vom Wechsel
spannungsgenerator 38 erzeugten Speisespannungen Uv1′ und
Uv2′ liegen an der Widerstandsbahn 20′ abwechselnd
gleich- und gegenphasige Spannungen an, wobei die
Spannung Uv2′ der Spannung Uv1′ um eine viertel Periode
nachläuft. Daher sind in den mit V bezeichneten Zeit
abschnitten die beiden Versorgungsspannungen entweder in
positiver oder negativer Richtung gleich, während sie in
den Zeitabschnitten M in Gegenphase liegen. Daher tritt
in den "gleichphasigen" Zeitabschnitten V am Spannungs
teiler kein Spannungsabfall auf, und in dieser Zeit wird
durch den elektronischen Schalter und Gleichrichter 34
die Vergleichsspannung Ugv erzeugt, die der Potentialson
denspannung Us während dieser Zeit entspricht. In den
Zeitabschnitten M ergibt sich aufgrund der Gegenphasig
keit der Speisespannungen über der Widerstandsbahn 20′
ein Spannungsabfall, der zur Erfassung des "Spannungs
teilerverhältnisses", also zur Erfassung der Position der
Potentialsonde ausgenutzt wird (Meßphase II). Die
Meßwertspannung Ugm wird ebenfalls mit Hilfe des elek
tronisch gesteuerten Schaltungs- und Gleichrichters 35
erzeugt, wobei die beiden Werte Ugv und Ugm durch
entsprechende Speicherschaltungen, die in Form von
Kondensatoren 26, 26′ realisiert sind, gespeichert
werden. Der Diagrammverlauf der Fig. 7 zeigt die Span
nungsverläufe für drei verschiedene Potentialsonden
stellungen, nämlich nahe am Anschluß für die eine
Speisespannung Uv1, etwa in der Mitte der Widerstands
bahn, und eine nahe am Ende der Spannungszuführung für
Uv2.
Es versteht sich, daß man ähnliche Verhältnisse erhält,
wenn der durch die Widerstandsbahn 20′ realisierte
Spannungsteiler oder ein entsprechend verwendetes
Spannungsverteilungselement mit Rechtecksignalen an
seinen beiden Anschlüssen versorgt wird, wobei beispiels
weise dem einen Ende eine Rechteckspannung gegebener
Frequenz und dem anderen Ende eine Rechteckspannung mit
doppelter Frequenz zugeführt werden kann. Auch in diesem
Fall ergeben sich gegenphasige und gleichphasige Zeit
abschnitte, die als Meßphasen und Referenzphasen ausge
wertet werden können.
Eine weitere Realisierungsmöglichkeit besteht entspre
chend der Darstellung der Fig. 8 darin, der Widerstands
bahn 20′ des Spannungsteilerelementes gegenläufige
Versorgungswechselspannungen zuzuführen, was mit anderen
Worten bedeutet, daß durch Umpolen der Potentiometerbahn
eine steigende und eine fallende Kennlinie erzeugt wird
entsprechend der Darstellung der Fig. 9. In diesem Fall
(siehe Fig. 8) liefert die Wechselspannungsquelle 38′ in
ihrer Amplitude gleiche Versorgungswechselspannungen Uv1
und Uv2, die über erste elektronische Schalter 45 und 48
jeweils an die Enden der Widerstandsbahn 20′ abwechselnd
gelegt werden, während das jeweils andere Ende der
Widerstandsbahn 20′ über die weiteren elektronischen
Schalter 46 und 47 mit Masse verbunden wird. Es sind also
jeweils abwechselnd die Schalter 45 und 47 in Verbindung
mit der gesteuerten Gleichrichterschaltung 35 und in
einer nächsten Phase - bei diesem Ausführungsbeispiel
wird allerdings nicht zwischen Vergleichs- und Meßphase
unterschieden - die Schalter 46 und 48 in Verbindung mit
der gesteuerten Gleichrichterschaltung 34 aktiv.
Die Ausgangssignale der beiden synchron mit den Schaltern
45 bis 48 geschalteten Gleichrichter 34 und 35 werden in
den Kondensatoren 26 und 26′ zwischengespeichert und
gelangen über einen Summierer 36′ auf die Reglerschaltung
37′, die als I-Regler ausgebildet ist und auch hier
wieder bevorzugt die Eingangsamplitude der Versorgungs
spannungen Uv1, Uv2 zur Widerstandspotentiometerbahn so
regelt, daß die ermittelte Summe der beiden Ausgangs
spannungen konstant bleibt, d. h. daß entsprechend der
Darstellung der Fig. 9 beispielsweise durch Vergleich mit
einem konstanten Wert eine höhere Summenspannung einge
stellt wird, da die beiden Kennlinienverläufe 1 und 2 in
ihrer Summe an jeder Position des Weges einen konstanten
Wert aufweisen müssen. Realisiert werden kann dies bei
der Ausführungsform der Fig. 8 ebenfalls wieder dadurch,
daß ein Vergleich mit einer dem Summierer 36′ zugeführten
Referenzspannung Uref vorgenommen wird. Der Regler sorgt
dann entweder durch Einstellung der Verstärkung des
Verstärkers 33 dafür, daß die Summe der beiden Ausgangs
signale der Referenzspannung Uref entspricht, oder auch
durch entsprechende Nachregelung der Amplitude der
Speisespannung für das Potentiometer, was durch die
gestrichelte Verbindungslinie vom Ausgang des I-Reglers
37′ zum Eingang des Wechselstromgenerators 38′ angedeutet
ist.
Auch durch eine solche Regelung fällt der Einfluß von auf
die Eigenschaften der Koppelkondensatoren zurückzuführen
den Störgrößen heraus, wobei als Ausgangsspannung sowohl
das Signal der einen als auch der anderen Kennlinie, also
Uan bzw. Uap verwendet werden kann.
Bei solchen auf kapazitiver Grundlage arbeitenden Weg-,
Winkel- oder Positions-Gebern, beispielsweise Potentiome
tern hat es sich als wünschenswert herausgestellt, daß
die Spannungsquelle, die den Spannungsteiler versorgt,
und der Verstärkereingang für die Ausgangsspannung einen
definierten Potential-Bezugspunkt haben, da sonst die
Messung von dem Potentialverhältnis in der Versorgungs
spannung und des Sensorgehäuses abhängig werden kann. Es
ist daher anzustreben, die Masse der Versorgungsspannung
zumindest für den verwendeten Frequenzbereich mit dem
Gehäuse des Sensors zu verbinden, da sonst undefinierte
Verhältnisse auftreten können, die Meßfehler nicht
ausschließen.
Da es andererseits in elektrischen Anlagen nicht immer
möglich ist, das Gehäuse mit der Masse der Versorgungs
spannung zu verbinden, schlägt die Erfindung als Ausge
staltungen Möglichkeiten vor, eventuell durch mangelnde
Trennung der Potentialverhältnisse auftretende Störungen
zu beseitigen.
Eine erste Variante umfaßt entsprechend der Darstellung
der Fig. 10 ein isoliertes Schirmgehäuse, wobei das
Spannungsteilerelement, die Meßsonde und die Rückführ
elektrode oder Koppelelektrode von einem Schirm umgeben
sind, der als Massepotential dient.
Man erkennt in Fig. 10 schematisiert das Spannungsteiler
element 13 als Potentiometerwiderstandsbahn, die Koppel
elektrode 16 mit dem gemeinsamen Bauteil aus Potential
meßsonde 17 und Potentialkoppelsonde 15, den Verstärker
33′ sowie ein Bauteil 41, welches die in Fig. 8 strich
punktierten Bauelemente umfaßt, und ein Bauteil 42,
welches die in Fig. 8 gestrichelt umrandeten Bauelemente
umfaßt.
Entscheidend ist bei einem solchen Sensor mit isoliertem
Schirmgehäuse, daß vom Gehäuse 40 des Sensors keine
Kopplung auf die Potentialmeß-/Koppelsonde 17, 15 und auf
die Verbindung zum Verstärker 33′ erfolgt. Darüber hinaus
muß verhindert werden, daß die Wechselspannungen, die an
der Widerstandsbahn 13 und den Zuleitungen von der
Wechselspannungsquelle 42 anliegen, auf das Gehäuse
eingekoppelt werden. Daher ist innerhalb des Gehäuses 40
ein Schirm 43 isoliert angeordnet, der mit dem Bezugs
potential, z. B. dem negativen Versorgungsspannungs
anschluß verbunden ist. Es ist zweckmäßig, die gesamte
Elektronik, mindestens jedoch den Teil, in dem Wechsel
spannungen auftreten, innerhalb dieses Schirms 43
unterzubringen.
Eine solche Lösung läßt sich elektrisch vergleichsweise
einfach realisieren, kann jedoch zu zusätzlichen Kosten
wegen des Platzbedarfs und zu konstruktiven Schwierigkei
ten insbesondere bei beengten Platzverhältnissen führen.
Eine andere Möglichkeit besteht daher entsprechend Fig.
11 darin, eine galvanische Trennung von Spannungsteiler,
Vorverstärker und Versorgungsspannung vorzunehmen, indem,
bei gleichen Bezugszeichen der jeweiligen Bauelemente wie
in Fig. 10, Trenntransformatoren 44, 44′ vorgesehen sind,
die das Spannungsteilerelement und den Verstärker wieder
Sondensignal galvanisch trennen. Dabei ist ferner
vorteilhaft, den Spannungsteiler mit Hilfe eines oder
mehrerer Transformatoren zu versorgen, so daß sich auf
diese Weise auch die Versorgungsspannung für den Ver
stärker 33′ des Sondensignals über den zusätzlichen Block
49 erzeugen läßt.
Bei dieser Lösung kann das Gehäuse des Sensors als
Massepotential und Abschirmung verwendet werden, wobei
eine solche Ausführung auch hinsichtlich der elektroma
gnetischen Verträglichkeit vorteilhafter ist, bei
entsprechender Vereinfachung der Konstruktion.
Die verschiedenen Gesichtspunkte der Erfindung sind
anhand von Blockschaltbildern erörtert worden, wobei es
von Bedeutung ist, darauf hinzuweisen, daß es selbstver
ständlich möglich ist, Teile oder auch größere Schal
tungseinheiten mit Hilfe von heute geläufigen üblichen
Bauelementen, insbesondere Mikroprozessoren u. dgl. zu
realisieren. Die Erfindung ist daher nicht auf die
diskreten Schaltstufen bzw. Schaltungsblöcke beschränkt,
sondern diese dienen insbesondere dazu, die funktionellen
Grundwirkungen der Erfindung zu veranschaulichen und
spezielle Funktionsabläufe anschaulich darzustellen. Es
versteht sich, daß die einzelnen Bausteine und Blöcke in
analoger, digitaler oder auch hybrider Technik aufgebaut
sein können oder auch, ganz oder teilweise zusammen
gefaßt, entsprechende Bereiche von programmgesteuerten
digitalen Systemen, beispielsweise also Mikroprozessoren,
Mikrorechner, digitale oder analoge Logikschaltungen
u. dgl. umfassen können. Die bisher angegebene Beschrei
bung der Erfindung ist daher lediglich als bevorzugtes
Ausführungsbeispiel bezüglich des funktionellen Gesamt-
und Zeitablaufs und der durch die jeweiligen besprochenen
Blöcke erzielten Wirkungsweise zu werten, wobei es sich
versteht, daß an die Stelle der erörterten Bauelemente
auch entsprechend andere, gleichwirkende treten können.
Ein weiterer Gesichtspunkt bei vorliegender Erfindung ist
die Notwendigkeit, Teile der Schaltung oder die Gesamt
funktion zu überwachen, um zu vermeiden, daß ein unbe
merkt gebliebener Ausfall des Sensors größere Schäden
verursacht. Es ist daher zweckmäßig, eine übergeordnete
Schaltung vorzugeben, die, vorzugsweise in Form eines
Mikroprozessors ausgebildet eine Vielzahl von Eingängen
aufweist, die mit unterschiedlichen Schaltungspunkten der
jeweils besprochenen Ausführungsbeispiele in den Figuren
verbunden sein kann und die eine Alarmgabe oder sonstige
Maßnahmen dann veranlaßt, wenn bestimmte Werte vor
gegebene Grenzwerte über- oder unterschreiten.
Als Ausfälle sind neben der Elektronik noch Leitungsbruch
der Zuleitung zum Sensor, Kurzschluß der Sensoranschlüs
se, Kurzschluß der Meßelektrode und der Ausgangsspannung
zu betrachten.
Neben der Überwachung der Ausgangsspannung auf Einhaltung
eines plausiblen Bereichs läßt sich noch durch weitere
Schaltungsmaßnahmen eine aktive Überprüfung der Funk
tionsfähigkeit erreichen, nämlich:
- - Überwachung der Kreisverstärkung für die Nachrege lung der Vergleichsspannung;
- - ferner muß für eine ordnungsgemäße Funktion des Sensors ein minimales und maximales Ausgangssignal einer Meßsonde erscheinen, so daß eine Überwachung der Regelspannung (bei Ausführung mit regelbarem Verstärker) bzw. Versorgungsspannung für den Span nungsteiler vorgenommen werden kann;
- - Überwachung des Referenzvergleichs, wobei durch Steuereingänge die Gleichrichtung beispielsweise so verändert werden kann, daß am Ausgang bei ordnungs gemäßer Funktion die Referenzspannung erscheint;
- - Überwachung des Bezugspotentials, wobei die Gleich richtung so gesteuert werden kann, daß am Ausgang annähernd das Bezugspotential erscheint;
- - Überwachung auf gegenläufige Ausgangsspannung; auch hier kann die Gleichrichtung so gesteuert werden, daß die Ausgangsspannung einen Wert annimmt, als wären die beiden Anschlüsse des Spannungsteilers vertauscht.
Alle diese Maßnahmen können, wie schon erwähnt, mit Hilfe
von eine entsprechende Programmierung aufweisenden
Mikroprozessoren oder Kleinrechnern kostengünstig
realisiert werden.
Abschließend wird darauf hingewiesen, daß die Ansprüche
und insbesondere der Hauptanspruch Formulierungsversuche
der Erfindung ohne umfassende Kenntnis des Stands der
Technik und daher ohne einschränkende Präjudiz sind.
Daher bleibt es vorbehalten, alle in der Beschreibung,
den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale
sowohl einzeln für sich als auch in beliebiger Kom
bination miteinander als erfindungswesentlich anzusehen
und in den Ansprüchen niederzulegen sowie den Haupt
anspruch in seinem Merkmalsgehalt zu reduzieren.
Claims (13)
1. Verfahren zur Bestimmung der jeweiligen örtlichen
Position, des Verschiebewegs oder des Winkels eines
Körpers durch kapazitive Abtastung, wobei eine mit
einem Spannungsverteilungselement (Widerstandsbahn)
in kapazitiver Wirkverbindung stehende Potentialson
de längs einer vorgegebenen Meßrichtung, entlang
welcher sich die Wechselspannungspotentialverteilung
ändert, geführt und das abgetastete Potential
ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die an
dem Spannungsverteilungselement (Widerstandsbahn 20,
20′) anliegende(n) Versorgungsspannung(en) umge
schaltet wird (werden) oder daß die Speisung mit
phasenverschobenen Spannungen erfolgt, derart, daß
sich mindestens zwei unterschiedliche Versorgungs
spannungs-Verteilungsmuster in zeitlicher Abfolge
über den Spannungsteiler ergeben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Potentialmeßsonde mit einer Potentialkoppel
sonde körperlich einstückig (elektrisch und mecha
nisch) verbunden ist, wobei beide Sonden den glei
chen Meßweg zurücklegen und wobei die Koppelsonde
ebenfalls kapazitiv auf eine stationäre Koppelelek
trode (16) arbeitet, an welcher eine Meßgröße
anfällt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf der Grundlage der von der Potenti
almeßsonde in zeitlicher Abfolge aufgrund des sich
ändernden Potentialspannungsverteilungsmusters auf
den Spannungsteiler (Widerstandsbahn 20, 20′)
erfaßten unterschiedlichen Sondenspannungen eine
Regelung der Gesamtverstärkung und/oder eine Ver
änderung der Versorgungsspannung des Spannungs
teilerelements (Widerstandsbahn 20, 20′) vorgenommen
wird, derart, daß durch Streukapazitäten bzw.
Ableitwiderstände verursachte Störgrößen ausgegli
chen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (Wider
standsbahn 20, 20′) mit einer Wechselspannung so
gespeist wird, daß abwechselnd beide Enden gleiche
Spannung ohne Auftreten eines Spannungsabfalls über
den Spannungsteiler aufweisen (Vergleichsphase I)
und daß anschließend zur Erzielung einer Potential
differenz über der Spannungsteilerstrecke an ein
Ende des Spannungsteilers Spannung angelegt wird und
das andere an Masse liegt oder an beiden Enden
gegenphasige Spannungen angelegt werden (Meßphase
II), wobei in der Vergleichsphase die von der
Potentialmeßsonde erfaßte Spannung mit einer Refe
renzspannung verglichen und durch Verstärkungs
regelung bzw. Veränderung der Versorgungsspannung
des Spannungsteilers nachgeführt wird, so daß in der
Meßphase II die positionsabhängige Potentialsonden
spannung störgrößenfrei erfaßt ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (Wider
standsbahn 20, 20′) mit einer Wechselspannung so
gespeist wird, daß abwechselnd an einem Ende eine
Wechselspannung angelegt wird, während das andere
Ende an Masse liegt, und daß die Summe der von der
Potentialmeßsonde erfaßten gegenläufigen Spannungen
durch Verstärkungsregelung oder Veränderung der
Versorgungsspannung des Spannungsteilers so geregelt
wird, daß sie einer Referenzspannung entspricht
derart, daß jede der gegenläufigen Ausgangsspannun
gen für sich gesehen das Spannungsteilerverhältnis
angibt.
6. Vorrichtung zur Bestimmung der jeweiligen örtlichen
Position, des Verschiebewegs oder des Winkels eines
Körpers durch kapazitive Abtastung, wobei eine mit
einem Spannungsverteilungselement (Spannungsteiler)
in kapazitiver Wirkverbindung stehende Potentialmeß
sonde längs einer vorgegebenen Wechselspannungs-
Potentialverteilung geführt und das abgetastete
Potential ausgewertet ist, gekennzeichnet durch
Schaltungsmittel (S3; 30, 30′; 38; 45, 46, 47, 48),
die so ausgebildet sind, daß das Spannungsvertei
lungsmuster auf dem Spannungsteiler (Widerstandsbahn
20, 20′) in zeitlicher Abfolge mindestens zwei
unterschiedliche Verteilungsstrukturen aufweist, die
beide von der Potentialmeßsonde kapazitiv erfaßt
werden und von denen mindestens eine zur Verstellung
der Gesamtverstärkung oder zur Änderung der Ver
sorgungsspannung(en) des Spannungsteilers ausgewer
tet wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die die Zuführung der Versorgungsspannung(en)
zum Spannungsteiler (Widerstandsbahn 20, 20′)
steuernden Umschaltmittel (Schalter S3; 30, 30′) so
ausgebildet sind, daß zu einem ersten Zeitraum
(Vergleichsphase I) über dem Spannungsteiler kein
Spannungsabfall auftritt durch einseitiges Öffnen
der Zuleitungen oder durch Zuführen gleicher Span
nungen an beiden Spannungsteilerenden und daß zu
einem zweiten zeitlich späteren Zeitpunkt die
Anschaltung der Spannungsteileranschlüsse an die
Versorgungsspannungsquelle (21, 38) so erfolgt, daß
sich ein Spannungsabfall über der Spannungsteiler
strecke ergibt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Versorgungsspannungsquelle (38) so angesteu
ert ist, daß den Anschlüssen des Spannungsteilers
(Widerstandsbahn 20, 20′) derart phasenverschobene
Wechselspannungen (Uv1, Uv2) zugeführt sind, daß
sich mindestens zu bestimmten Zeitabschnitten (V)
spannungsabfallfreie Zustände über dem Spannungs
teiler ergeben.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die von der Potentialmeßsonde während
der spannungsabfallfreien Zeitabschnitte unabhängig
von ihrer jeweiligen Position erfaßte Sondenspannung
nach Verstärkung mit einer Referenzspannung (Uref)
verglichen und die Gesamtverstärkung und/oder die
von der Versorgungsspannungsquelle (21, 38) erzeug
ten Versorgungsspannungen (Uv1, Uv2) nachgeregelt
werden derart, daß der Einfluß von Streukapazitäten
und Ableitwiderständen ausgeglichen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß bei abwechselnden Anlegens einer Versorgungs
wechselspannung jeweils an unterschiedliche An
schlüsse des Spannungsteilers (Umpolen der Wider
standsbahn 20, 20′) dem Verstärker (33) nach zeit
synchroner Gleichrichtung der erfaßten steigenden
und fallenden Kennlinien ein Summierglied (36′)
nachgeschaltet ist, welches einen Regler (I-Regler)
derart ansteuert, daß dieser die Eingangsamplitude
der alternativ angelegten Wechselspannung bzw. die
Verstärkung des Eingangsverstärkers (33) so nach
führt, daß die unabhängig von der Sondenposition
ermittelte Summe aus steigender oder fallender
Kennlinie konstant bleibt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Span
nungsteiler (Widerstandsbahn 20, 20′), die Potenti
almeßsonde (32) und die Rückführelektrode (16) von
einer Schirmung (43) umgeben ist, die als Massepo
tential dient.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche
6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Spannungs
teiler, Verstärker und Versorgungsspannungserzeugung
galvanisch getrennt sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachungsschal
tung, vorzugsweise ein Mikroprozessor vorgesehen und
so ausgebildet ist, daß mindestens eine der Größen
Ausgangsspannung, Kreisverstärkung, Referenzver
gleich, Bezugspotential, gegenläufige Ausgangs
spannungen und Ausgangsspannung des Reglers auf
Plausibilität innerhalb minimaler und maximaler
Grenzen überwacht werden.
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