DE872643C - Vorrichtung zum Messen der Abstandsaenderung zweier Elemente durch Messung der AEnderung der Kapazitaet - Google Patents

Vorrichtung zum Messen der Abstandsaenderung zweier Elemente durch Messung der AEnderung der Kapazitaet

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DE872643C
DE872643C DEB11722A DEB0011722A DE872643C DE 872643 C DE872643 C DE 872643C DE B11722 A DEB11722 A DE B11722A DE B0011722 A DEB0011722 A DE B0011722A DE 872643 C DE872643 C DE 872643C
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    • G01B7/02Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B7/06Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness
    • G01B7/08Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness using capacitive means

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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Description

  • Vorrichtung zum Messen der Abstandsänderung zweier Elemente durch Messung der Anderung der Kapazität In der Praxis läßt sich die Messung einer Längen oder Abstandsänderung zweier Elemente auf die Messung der Abstandsänderung zweier Meßmarken zurückführen, von denen sich mindestens eine gegen die andere verstellt. Es wurde schon vorgeschlagen, Längen- oder Abstandsänderungen zweier Elemente bzw. Meßmarken durch Slessung der Kapazitäten oder der durch Abstandsänderungen zweier paralleler Elektroden entstehenden Kapazitätsänderungen zu messen, wobei die Elektroden mit den genannten Elementen oder Meßmarlçen verbunden sind.
  • Bei einer solchen Vorrichtung werden zwei parallele Elektroden senkrecht zu ihrer Fläche gegeneinander verstellt. Es ist bekannt, daß die Kapazität zweier paralleler Elektroden sich umgekehrt proportional mit dem Elekrodenabstand ändert, so daß der Differentialquotient von Kapazitätsänderung zu Abstandsänderung und damit auch die Genauigkeit der Messung mit wachsendem Abstand sehr schnell abnimmt (Kurve 1, Abb. I). In Abb. 1 sind als Abszisse die Abstände und als Ordinate die Kapazitäten aufgetragen. Infolgedessen eignet sich eine solche Vorrichtung nur zur Messung von sehr kleinen Längenänderungen.
  • Bei einer anderen bekannten Vorrichtung verschieben sich parallele Elektroden gegeneinander in Richtung ihrer Fläche. Die Anderungskurve der Kapazität in Abhängigkeit des Abstandes ist symmetrisch zu einer Einstellung, bei der die beiden Platten sich gegenüberstehen, was der maximalen Kapazität entspricht. Aus Kurve IiI in Abb. I ist aber ersichtlich, daß die tGenauigkeit der Messung auch sehr rasch auf der einen oder anderen Seite der Mittellage abnimmt, wenn die zu bemessende Länge größer wird.
  • Schließlich wurde vorgeschlagen, die aus zwei stetigen Flächen a und b bestehenden Elektroden durch mehrere gleich große Flächenelemente al, a2, a3, a4,... b1, b2, b3, b4, die in ihrer Bewegungsrichtung durch entsprechende Zwischenräume getrennt sind, zu ersetzen (Abb. 12). Hierdurch ist es mög-Tuch, für jede Einstellung der Elektroden die entsprechende Kapazitätsänderung zu vervielfachen und die Genauigkeit zu verbessern.
  • Die Änderungskurve der Kapazität in Abhängigkeit des Abstandes besitzt dann den Verlauf der Kurve III (Abb. I), jedoch macht sich die Vergrößerung der Genauigkeit nur in dem Gebiet A bemerkbar, in welchem die sich gegenüberliegenden Flächen a und b um weniger als eine Zahnteilung gegeneinander verschoben sind. In den Gebieten 2, A3 . . . A2', A3' ..., in welchen die Elektroden gegeneinander um einen oder mehrere Zähne, Id. h. um einen oder mehrere Schritte, verschoben sind, nimmt die Genauigkeit aber rasch ab.
  • Diese bekannten Vorrichtungen arbeiten also nur bei .Messungen von kleinen Längen mit einer genügenden Genauigkeit Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen die zwei einander zugekehrten Flächen der Elektroden aus mehreren gleich großen Flächenelementen, die in ihrer Bewegungsrichtung durch gleich große Zwischenräume voneinander getrennt sind, während die eine Elektrode mehr Flächenelemente besitzt als die - andere und entsprechend länger ist (Abb. 3), wobei zwei verschiedene Mittel vorgesehen sind, um die beiden Elektroden gegeneinander in Richtung ihrer einander zugekehrten Flächen ap a2... b1, b2 zu verschieben und dadurch die Kapazität zwischen den Elektroden zu'ändern, von denen das eine Mittel eine schnelle Verschiebung über eine Länge von der mehrfachen Länge eines Flächenelementes aj, a2 . . . bt, b2 und somit eine schnelle, jedesmal einen bestimmten Meßwert (Normwert) durchlaufende Schwankung der Kapazität bewirken kann und von denen das andere Mittel eine langsame Verschiebung und somit- eine langsame Änderung der Ka;pazitaut bewirken kann, wobei ferner ein Mittel vorgesehen ist, welches anzeigt, wann der genannte Normwert während des Verschiebens erreicht wird, und ein Mittel zum Messen der relativen Lage, welche die beiden Elektroden dann einnehmen; Die Änderungskurve der Kapazität in Abhängigkeit des Abstandes zeigt dann z. B. den bei IV, Abb. I dargestellten Verlauf.
  • Da der Kurvenverlauf in allen Absc;hnitten A2, A3, A4. . . A2', A3', A'4 gleich dem im Abschnitt A ist, gestattet diese Anordnung, beliebig große Längen zu messen.
  • Innerhalb jedes Abschnittes ändert sich jedoch die Meßgenauigkeit, ihr Minimum liegt in den Punkten, wo der Differentialquotient der Kurve gleich Null ist und ihr Maximum in den Punkten M mit maximalem Differentialquotienten.
  • Die lMeBgenauigkeit wird dadurch konstant gemacht, daß die Relativverstellungen der zwei Elektroden nicht mehr durch Ablesen der Kapazitä'tsänderung, sondern durch Ablesen an einer Verstellvorrichtung gemessen werden, welche die Abweichung der Kapazität von ihrem Normwert elektrisch ausgleicht, so daß die Kapazität zwischen den Elektroden einen konstanten Wert behält.
  • Dieser Wert entspricht vorzugsweise dem Wert M.
  • Vorzugsweise kann, wenn lineare Abstandsänderungen zu messen sind, die Ausgleichverstellung eine Drehung sein, wobei die einander zugekehrten Flächen der' Elektroden von den Oberflächen zweier Schraubenwindungen gleicher Ganghöhe gebildet werden, von denen die eine als Schraube in der anderen als Mutter derart liegt, daß sie einander nicht berühren und die eine gegenüber der anderen sowohl in axialer Richtung bewegt als auch gedreht werden kann.
  • Umgekehrt läßt sich dieselbe Vorrichtung zur Bemessung von Winkelverstellungen verwenden. In diesem Falle erfolgt die Ausgleichverstellung geradlinig. Die zwei Meßvorrichtungen unterscheiden sich lediglich dadurch, daß die Ganghöhe der Schraubenlinie im ersten Fall sehr klein und im zweiten Fall sehr groß ist, so daß die Ausgleichverstellung stets größer wird als die zu messende Abstands- bzw. Winkeländerung.
  • Beim messen von geradlinigen Abstandsände rungen kann man jedoch auch ebene Elektroden benutzen, deren Ausgleichverstellung ebenfalls geradlinig, aber in einer anderen Ebene, z. B. durch ein Gleiten in einer senkrecht zur Abstandsänderung liegenden Ebene erfolgt. In diesem Falle kann die Größe der Ausgleichverstellung von der;Größe der zu messenden Abstandsänderung sehr verschieden sein.
  • Erfindungsgemäß werden durch die Fertigung bedingte mechanische Fehler der Elektroden (z. B. ungleiche Schrittlängen an der langen Elektrode) dadurch ausgeglichen, daß man die der Relativlage entsprechende Kapazität der zwei Elektroden örtlich verlandert. Diese Abänderung kann durch eine mechanische Deformation, vorzugsweise in einer Richtung, die von der zu messenden Abstandsänderung und der Ausgleichverstellung abweicht, z. B. durch eine örtliche Vergrößerung des Elek trodenabstandes, vorgenommen werden.
  • Bei praktischen Verwiiklichungen der Erfindung muß zur Anzeige kleinster mechanischer Verschiebungen auch eine elektrische Anordnung vorgesehen werden, durch die die Meßgenauigkeit der Kapazitätsänderungen vergrößert wird.
  • Die Abb. 4 bis III der Zeichnung zeigen als Beispiel einige Ausführungsformen der erfindung gemäßen Vorrichtung; Abb. 4 ist eine schematische Ansicht der Vorrichtung; Abb. 5 zeigt in größerem .Maßstab die zwei Elektroden; Abb. 6 bis I0 sind Prinzipschaltbilder der elektrischen Anordnung; Abb. II erläutert eine Einzelheit.
  • Die Vorrichtung nach Abb. 4 besteht aus einem festen Gestell I, auf welchem sich ein Schieber 2, in welchem die Meßvornchtung angebracht ist, verschieben kann. Die gMeßvorrichtung (in Abb. 5 in größerem Maßstab dargestellt) besteht aus der schraubenförmigen, die eine Elektrode bildenden Meßspindel 3, die ohne Berührung im Innern der mit dem Gestell verbundenen, als Schraubenmutter ausgebildeten Gegenelektrode 4 gleitet. Das Gewinde der Schraubenmutter besitzt die gleiche Ganghöhe wie das der Spindel 3 und bildet die zweite Elektrode. Es ist mindestens eine der beiden Elektroden elektrisch gegen Erde isoliert.
  • Die Meßspindel 3 trägt an ihrem einen Ende eine mit der Spindel umlaufende und mit einer nicht dargestellten festen Ablesemarke versehene Skalentrommel 5. Ein Taster 6 der Spindel und ein mit dem Gestell fest verbundener Taster 7 können zu messende Stücke zwischen sich aufnehmen.
  • Um bei gleicher Spindellänge eine Verdoppelung des Meßbereiches zu erhalten, ist die Spindel 3 vorzugsweise mit zwei Tastern 6 und B versehen. Der Taster 6' arbeitet mit einem zweiten festen Taster 7', welcher dem Taster 7 gegenüberliegt, zu sammen. Der Abstand zwischen den Tastern 7 und 7' ist gegenüber der festen Elektrode 4 so gewählt, daß, wenn die Meßvorrichtung in ihrer Endstellung ist und die Trommel 5 (in Abb. 4 nach Verschieben um das Stück x) an der festen Elektrode 4 anliegt, die Abstärrde zwischen den Tastern 6 und 7 einerseits, 6' und 7' andererseits den gleichen Wert a haben. So können zwischen den Tastern 6 und 7 Längen zwischen o und a und zwischen den Tastern 6' und 7' Längen zwischen a und 2a gemessen werden.
  • Wenn sich wegen der durch das Gewicht des Schiebers 2 verursachten Reibung kein konstanter IMeßdruck einstellen läßt, kann die Meßspindel mit meßbarem Längsspiel federnd gelagert werden.
  • Um die Verstellungen des Schiebers grob zu bemessen, besitzt das Gestelf eine z. B. in Millimeter eingeteilte Skala 8, welche mit einem Zeiger g der Meßspindel zusammenarbeitet und wobei die Skalenteilung dem Schrittwert bzw. der Ganghöhe der Teile 3 und 4 oder einem Mehrfachen oder einem Bruchteil davon entspricht.
  • Das in der Zeichnung dargestellte Betätigungshandrad 10 bewirkt mit bekannten mechanischen Mitteln (nicht dargestellt) die Bewegung von Schieber und Meßtspindel. Die in Abb. 4 nicht dargestellten elektrischen Vorrichtungen werden nachfolgend an Hand der Abb. 6 beschrieben. Zu diesen elektrischen Vorrichtungen gehört ein Galvanometer I:I, welches mit der Meßspindel 3 und seiner Gegenelektrode 4 verbunden ist und dessen Zeiger sich in Abhängigkeit von der Relativlage dieser beiden Elemente verstellt, sowie ein mit den Elektroden verbundener elektrischer Stromkreis.
  • Der Meßvorgang, unter Voraussetzung einwandfreier Eichung, die später beschrieben wird, geschieht wie folgt: Das zu messende Stück P wird auf den Träger 12 zwischen die Taster 6 und 7 gelegt, und durch das Handrad 10 wird die Meßspindel sowie deren Taster 6 in Berührung mit dem Stück und dann dieses in Berührung mit dem Taster 7 gebracht.
  • Während dieses Verstellvorganges bewegen sich die Zähne der Meßspindel 3 vor der Zahngruppe der Gegenelektrode 4. Dieser Vorgang verursacht Änderungen der elektrischen Kapazität zwischen den Zähnen. Maximalwerte der Kapazität entstehen jedesmal, wenn die Zahnköpfe sich gegenüberliegen und Minimalwerte jedesmal, wenn die Zähne der beiden Elektroden um einen Halb schritt gegeneinander verschoben sind. Während des Verstellvorganges schwankt der Zeiger des Galvanometers 1 1 stetig zwischen Null und einem Maximalwert und durchläuft alle Zwischenwerte, wenn die Elektroden aus einem Wechselstromgenerator (wie in Abb. 6 bis Io) gespeist werden.
  • Wenn die Taster 6 und 7 das zu messende Stück beiderseitig berühren, nimmt der Zeiger irgendeine von der Relativlage der Zähne der beiden Elektroden 3 und 4 abhängige Stellung ein, die jedoch, wie nachfolgend erläutert wird, willkürlich gewählt und geregelt werden kann, je nach der für die Messung gewünschten Genauigkeit.
  • Die Schritt- oder Ganghöhe der Elektroden entspricht einem oder mehreren Skalenteilen der Skala 8. Wenn der Schieber Iz um eine ganze Zahl von Schritten verschoben wird, verstellt sich der Zeiger g auf der Skala 8 ebenfalls um eine ganze Zahl von Skalenteilen, und der Zeiger des Galvanometers geht in seine Ausgangslage zurück.
  • Wenn dagegen der Schieber um eine ganze Schrittzahl plus ein Bruchteil eines Schrittes verstellt wird, kommt der Zeiger des -Galvanometers in eine von der Ausgangslage abweichende Stellung.
  • Zur Kompensation dieser Abweichung und zur Bemessung dieses Schrittbruchteils müssen Gegenelektrode und Meßspindel eine Relativbewegung ausführen, die von der zu messenden Abstandsänderung abweicht. Diese kompensierende Relativverschiebung besteht in dem dargestellten Beispiel aus einer Relativdrehung der beiden Ableseelemente, d. h. z. B. der Spindel 3 gegenüber der festen Elektrode 4.
  • Diese Drehung verursacht keine Längsverstellung der Spindel 3, da diese mit der Gegenelektrode mechanisch nicht verbunden ist; sie verursacht aber eine Relativverstellung der Zähne der beiden Elektroden. So wird hierdurch die Relativverstellung gemessen, welche die Elektroden sonst selbst ausführen müßten, um den zuslättzlichen Schrittbruchteil auszugleichen.
  • Die elektrische Anordnung zur Beobachtung der Kapazitätsänderungen zwischen iMeßspindel,3 und Gegenelektrode 4 und zur genauen Anzeige der Ursprungslage kann in verschiedenen Schaltungen ausgeführt werden.
  • Abb. 6 6 stellt eine klassische Sauty-Brücke dar, bei der;Meßspindel 3 und Gegenelektrode 4 eine der Kapazitäten bilden. Außer dem Galvanometer II und dem Wechselstromgenerator 14 sind drei feste Kapazitäten I5, Il6,|I7 vorgesehen und gegebenenfalls noch eine kleine regelbare Parallell:apazität I8 zur Kapazität I5, die es ermöglicht, den Wert der Normalkapazität, d. h. die Ausgangsstellung des Galvanometerzeigers, willkürlich zu ändern. Durch verschiedene Einrichtungen läßt sich die Ablesegenauigkeit noch vergrößern. In der soeben beschriebenen Brückenschaltung wird die veränderliche Kapazität S zwischen Gegenelektrode und Meßspindel 3 mit drei festen Kapaziläten a, b, c verglichen. Bei Nullstrom am sGalvanometer der Sauty-Brücke gilt die Gleichung x b a = c Im Schaltbild bezeichnet S die Kapazität zwischen A und B (3, 4), a die Kapazität zwischen B und C (I6), b die Kapazität zwischen A und D (r5, 18), C die Kapazität zwischen C und D (I7).
  • Es ist- ersichtlich, daß die Meßgenauigkeit besser wird, wenn die Relativverstellung von Gegenelelçtrode und Meßspindel zwei Faktoren obiger Gleichung verändert, d. h. wenn die Vor--richtung zwei um einen Haibschritt gegeneinander verschobene Gegenelektroden 4 und 4 (Abb 7) besitzt, so daß von den beiden gebildeten Kapazitäten die eine zunimmt, wenn die andere abnimmt und umgekehrt. Wenn y die Kapazität zwischen ' und 3 bezeichnet, lautet-die Gleichung der Sauty-Brücke für einen in IXI abgelesenen Nullstrom -nunmehr: x b y C In dem Schaltbild der Abb. 7 bezeichnet y die Kapazität zwischen B und -C, und x, b, und c behalten ihre bisherige Bedeutung.
  • Es lassen sich auch Kombinationen ausführen, bei welchen vier Kapazitäten der Brücke bei einer Relativverstellung der Meßspindel gegenüber den Gegenelektroden veränderlich sind. Dies Ergebnis kann erzielt werden durch eine als Doppelelektrode ausgeführte Meßspindel mit zwei gegeneinander -isolièrten gewinden und eine in gleicher Weise ausgeführte Gegenelektrode.
  • Abb. 8 stellt eine solche Anordnung dar, bei welcher die ~Meßspindel aus zwei schraubenförmigen, gegeneinander elektrisch isolierten IGewinden 3 und 3' besteht, und, die- Gegenelektrode besteht ebenfalls aus zwei schraubenförmigen Gewinden und ', welche gegeneinander elektrisch isoliert sind.~ Wenil man die Kapazität zwischen 3 und 4 mit x, die Kapazität zwischen 3 und 4' mit y, die Kapazität zwischen 3' und 4 mit z und die Kapazität zwischen 3' und 4 mit t bezeichnet, lautet die Brückengleichung wie folgt: x z = t .
  • Die Vorrichtung nach Abb. 8 bietet neben dem geringeren Raumbedarf gegenüber der Vorrichtung nach Abb. 7 noch den Vorteil, daß die Doppelelektroden sich gegeneinander elektrisch abschirmen durch eine Verminderung der Streukapazität, d. h. durch Untefdrückung der Einwirkung von Gewindeflanken und Gewindegrund zweier aufeinanderfolgender Gewindegänge.
  • Wenn man, anstatt eine veränderliche Kapazität gegenüber konstanten Kapazitäten zu messen die Relativänderungen zweier Kapazitätsverhältnisse mißt, bei denen vier Glieder veränderlich sind, werden durch jede unbeabsichtigte Verschiebung die vier Kapazitäten im gleichen Sinn geändert, so daß hierdurch die Meßgenauigkeit im wesentlichen ungeändert bleibt. Dies trifft insbesondere zu, wentl sich während der Messung einer Abstandsänderung eine Achsverschiebung der zwei ;Meßorgane, Schraube und Mutter, einstellt.
  • Die Empfindlichkeit der Meßvorrichtungen kann noch weitgehend verbessert werden durch Parallelschalten von Drosseln 19 (Abb. g) in zwei oder vier Brückenzweige, so daß sich der Scheinwiderstand jedes Brückenzweiges schneller als der Kehrwert der Kapazität ändert. Ein solches Ergebnis wird dadurch erzielt, daß jeder der die Brückenzweige bildenden Sperrkreise auf Resonanznähe, wo ihr Widerstand unendlich ist, eingestellt wird.
  • Zur Steigerung der Meßgenauigkeit kann man auch zusätzlich bekannte Vorrichtungen zur mechanischen oder elektrischen Verstärkung anwenden, eine elektrostatische Verbesserung durch Verwendung von Stoffen großer Dielektrizitätskonstante vornehmen oder auch den Wechselstrom nach der Gleichrichtung durch ein Filter leiten.
  • In dem letzteren Fall würde die Vorrichtung (Abb. 10) aus einem Wechselstromgenerator I4, einem Wechselstromverstärker 20, einem Gleich richter 21 und einem das Milliamperemeter I'1 steuernden Filter oder Tiefpaß 122 bestehen.
  • Die Meßgenauigkeit kann auch - dadurch erhöht werden, daß das Filter solchermaßen angeordnet ist, daß ein gleichgerichteter .Wechselstrom das IMilliamperemeter auf Null oder einen Minimalwert bringt. Hierdurch wird der Ablesevorgang umgekehrt, und der Brückenabgleich entspricht nun einem Maximalwert, während er in der klassischen Sauty-Brücke Null entspricht.
  • Bei dieser Anordnung kann die Generaforleistung und infolgedessen die Meßgenauigkeit erheblich vergrößert werden, ohne befürchten zu müssen, daß der Zeiger des Milliamperemeters die Skala überschreitet.
  • Nachdem anfa;nglich die Fehlerkorrekturen beschrieben wurden, soll nun präzisiert werden, in welcher Weise die Korrekturen je. nach Fehlerart und Fehlerort ausgeführt werden. Jeder Zahn der Gegenelektrode kann als gesonderter Ablesepunkt betrachtet werden, so daß, wenn die Gegenelektrode n Zähne besitzt, die meßbare Gesamtkapazität das n-fache der Einzelkapazität zwischen je einem dieser Zähne und einem gegenüberliegenden Zahl der Meßspindel beträgt. Irffolgedessen geht, wenn ein Zahn der Gegenelektrode und/oder der Meß spindel fehlerbehaftet ist, nur Iln dieses Fehlers ein. Bei Fehlern an allen Zähnen beträgt der Ablesefehler nur den arithmetischen Mittelwert der Einzelfehler. Wenn diese Fehler verschiedene Vorzeichen haben, können sie sich gegebenenfalls sogar gegenseitig aufheben.
  • Ist dies nicht der Fall, kann der mittlere Fehler durch eine örtliche Korrektur an einem Zahn oder an mehreren Zähnen einer der beiden Elektroden beseitigt werden. In der Praxis wird diese Korrektur dadurch vorgenommen, daß man den Abstand zwischen den Zähnen durch eine Abflachung oder durch ein kreisförmiges Abschleifen oder Abfeilen usw. vergrößert. In der Praxis wird die Zähnezahl der Gegenelektrode so groß gewählt, daß der kleinste beobachtete Fehler durch eine aus reichend große, leicht mechanisch ausführbare Abflachung berichtigt werden kann. Somit können die Meßspindel und die Gegenelektrode wirtschaftlich auf gewöhnlichen Werkzeugmaschinen ausgeführt werden, ohne außergewöhnliche Anforderungen an die Genauigkeit oder Sauberkeit der Flächen zu stellen.
  • Genau auszuführen ist nur die Meßspfndel; die Gegenelektrode dagegen nicht, weil jeder aus einer Fertigungsungenauigkeit herrührende Fehler an der Gegenelektrode sich bei Verstellungen der Meßspinde! periodisch in gleicher Größe wiederholt.
  • Außer den Fertigungsfehlern der Meßspindel und der Gegenelektrode, d. h. den von den Abmessungen und der Lage der Zähne herrührenden Fehlern, können auch andere Fehler dadurch auftreten, daß die Kompensationsverstellung, z. B. die Drehung, nicht genau der zu kompensierenden Längsverstellung entspricht. Dies kann dadurch verursacht werden, daß das Gewinde der Meßspindel nicht stetig an der Gegenelektrode vorbeigeht oder umgekehrt.
  • Diese Fehler heben sich von selbst auf wie die zufälligen Schrittfehler, wenn sie sich in den auf einanderfolgenden Schritten an Punkten, die genau ein ;Mehrfaches des Schrittes auseinanderliegen, nicht wiederholen, was häufig der Fall ist.
  • In anderen Fällen können sie durch eine besonders ausgestaltete, am beweglichen Element befindliche Elektrode berichtigt werden, die sich vor einer festen besonderen Elektrode bewegt und eine veränderliche Kapazität bildet, die sich zur ursprünglichen Kapazität der beiden Elemente addiert. Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in Abb. I I dargestellt. Das Korrekturglied besteht aus parallelen Scheiben 23 und 24, welche mit dem beweglichen Organ 3 bzw. dem festen Organ 4 verbunden und mit Vorsprüngen versehen sind, die bei jeder Drehung eine Zusatzkapazitlät aufbringen und deren Form durch die Fehlerart bestimmt ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind die beiden Scheiben mit den Meßkapazitäten parallel geschaltet.
  • Wenn ein kleines mechanisches Spiel vorhanden ist, so daß die Ausgleichbewegung den zu kompen- -sierenden Längsverstellungen nicht genau entspricht, ist es möglich, zur Kompensation als Hilfselektroden nunmehr kreisförmige Scheiben 7; und 24 der Abb. I.I anzuordnen. So wird die durch das Spiel verursachte Kapazitätsänderung durch die von der Abstandsänderung der Scheiben 3 bzw. 24 herrührende Kapazitätsänderung kompensiert.
  • Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Berührungsanzeiger versehen ist, kann der Ablesefehler dieses Anzeigers dadurch beseitigt werden, daß seine beweglichen Organe mit einer Berichtigungskapazität versehen werden, die der Meßkapazität parallel geschaltet wird.
  • Obwohl eine mit - der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführte Messung letztlich darin besteht, die Lage einer Skalentrommel gegenüber einem Zeiger wie bei anderen mechanischen Vorrichtungen zu beobachten, bietet die Erfindung zahlreiche Vorteile gegenüber den klassischen Mikrometern.
  • Erstens ist zu bemerken, daß die als Mikrometer wirkende Gegenelektrode und Meßspindel keine materielle Berührung miteinander haben und keiner Abnutzung ausgesetzt sind, so daß die einmal vorgenommene Eichung konstant bleibt. Die Eichung durch Berichtigung der verschiedenen mechanischen Fehler ist äußerst einfach und erfordert keine reibenden Organe.
  • Ferner ist bei mechanischen Vorrichtungen die Ableselage durch leinen Anschlag bestimmt, welcher nicht immer für den Beobachter zu ersehen ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Ableselage durch den Zeiger des Galvanometers angezeigt, dessen Ausschläge durch elektrische Mittel, d. h. trägheits- und reibungslos, erheblich verstärkt werden. Infolge der Trägheitslosigkeit kann die Vorrichtung auch zum ,Messen von sich bewegenden Stücken benutzt werden, wobei der Tiefpaß dann als Filter wirkt und die Hochfrequenz sperrt, die von den Schwingungen der sich berührenden Teile herrührt.
  • Schließlich weist die erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber Vorrichtungen mit optischer Ablesung folgende Vorteile auf: I. Da das Ablesen einer an zahlreichen Punkten des gleichen Stückes vorgenommenen Messung an einem mehrfachen Ableseorgan erfolgt, wird der wahrscheinliche Fehler wesentlich kleiner als der von einem einzigen Ableseorgan herrührende Fehler, wie dies bei optischen Vorrichtungen der Fall ist.
  • 2. Bei einer optischen Vergrößerung der Anzeige hängt die Meßgenauigkeit von der Augenbeschaffenheit des Beobachters und von der eGenauigkeit der optischen Einstellung ab, während diese Nachteile bei elektrischer Verstärkung fortfallen. Bei Vorrichtungen mit optischer Ablesung wird die Genauigkeit durch die maximale Feinheit der Teilung begrenzt. Wenn die optische Vergrößerung der Teilung übertrieben wird und die Teilstücke nicht fein genug sind, entstehen nur verzerrte -Teilstücke, und dieAblesungsgenauigkeit wird nicht verbessert.
  • Bei den elektrostatischen Einrichtungen gemäß der Erfindung wird die Genauigkeit nur durch die' räumlichen Abmessungen begrenzt die der Spindel und der Gegenelektrode gegeben werden können.
  • Tatsächlich beeinflußt die mehr oder weniger exakte Ausführung der genannten Elemente die Kapazität praktisch nicht.

Claims (14)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Vorrichtung zum Messen der Abstandsänderung zweier Elemente durch Messung der Änderung der Kapazität, die bestimmt wird von zwei einander zugekehrten- und gegeneinander in Richtung ihrer Flächen beweglichen Elektroden, die mit den Elementen zwecks Messens verbunden werden können, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugekehrten Flächen dieser Elektroden aus mehreren gleich großen Flächenelementen bestehen, die in ihrer Bewegungsrichtung durch gleich große Zwischenr-ä'ume voneinander getrennt sind und von denen die eine Elektrode mehr besitzt als die andere und entsprechend länger ist, und daß zwei verschie dene Mittel (2, 5) vorgesehen sind, um die beiden Elektroden (3, 4) gegeneinander in Richtung ihrer einander zugekehrten Flächen (ar, .... . bl, b2) zu verschieben und dadurch die Kapazität zwischen den Elektroden zu ändern, von denen- das eine (Mittel Q2) eine schnelle Verschiebung über eine Länge von der mehrfachen Länge eines Flächenelementes (a1, a,...b;, b2) und somit eine schnelle, jedesmal -einen bestimmten Meßwert (Normwert) durchlaufende Schwankung der Kapazität bewirkt und von denen das andere Mittel (5) eine langsame Verschiebung und somit eine langsame Änderung der Kapazität bewirkt, und daß ferner ein Mittel (IgI) vorgesehen ist, welches anzeigt, wann der genannte Normwert während des Verschiebens erreicht wird, und ein Mittel (8, 5) zum Messen der relativen Lage, welche die beiden Elektroden dann einnehmen.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch :I, dadurchgekennzeichnet, daß die einander zugekehrten Flächen der Elektroden von den Oberflächen zweier Schraubenwindungen gleicher Ganghöhe gebildet werden, von denen die eine als Schraube in der anderen als Mutter derart liegt, Idaß sie einander nicht berühren, und die eine gegenüber der anderen sowohl in axialer Richtung bewegt als auch gedreht werden kann.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch .2, dadurch g&-keun-zeichnet, daß Mittel (2) vorgesehen sind, um die Schraubenwindungen in axialer Richtung zu bewegen, und andere IMittel (5) vorgesehen sind, die eine Schraubenwindung gegenüber der anderen zu drehen.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 3, gekennzeichnet durch Mittel, um die Kapazität an Stellen, an denen sie aus Konstruktionsmängeln nicht-den Verschiebungen der Elektroden entspricht, zu ändern.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Mittel zur Änderung der Kapazität darin besteht, daß wenigstens eine der Schrauben stellenweise eine geringere Höhe besitzt.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel aus einem mit den Elektroden verbundenen Galvanometer, einer linearen Skala, deren Teilungseinheit mindestens gleich der Summe der Länge eines Flwåchenelementes und eines Zwischenraums ist, und einer Skala besteht, deren Teilungseinheit einen Bruchteil wider Hälfte der genannten Summe beträgt.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (3, ) mit einer Hilfselektrode (23, 24) solcher Form verbunden ist, daß durch ihre zusätzliche Kapazität die periodischen Ungenauigkeiten der Kapazität, welche aus einer Ungenauigkeit der Ausführung des Apparates herrühren, berichtigt werden.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit den beiden Hauptelektroden kreisförmige und parallel zueinander liegende Hilfselektroden von solcher Oberfläche verbunden sind, daß sie die von etwaigem mechanischen Spiel der beiden Hauptelektroden herrührenden Kapaziiätsschwankungen - ausgleichen.
  9. 9. Vorriclltung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß eine gegenseitige Verschiebung der beiden Elektroden um eine Länge gleich der Summe der Längen eines Flächenelementes und eines Zwischenraumes die Kapazitrat einen Normwert (M) durchlaufen läßt, bei dem die Anderungsgeschwindigkeit der Kapazität im Verhältnis zur Bewegungsgeschwindigkeit der Elektroden am größten ist.
  10. 10. Vorrichtung nach. Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Normwert, den die Kapazität während einer Verschiebung der beiden Elektroden um die Summe der Längen eines Flächenelementes und eines Zwischenraums. durchläuft, im wesentlichen der Mittel wert zwischen der maximalen und der minimalen Kapazität ist, Iden die beiden Elektroden bei der genannten Verschiebung bestimmen.
  11. II. Vorrichtung nach Anspruch >, dadurch gekennzeichnet, daß einer aus einer Gruppe von Flächenelementen bestehenden Elektrode (3) zwei voneinander isolierte, aus Flächenelementen bestehende Elektroden (4, 4') zugeordnet sind, wobei die erstere und die beiden letzteren Elektroden die beiden veränderlichen Kapazitäten einer Sauty-Brücke bilden.
  12. I2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Elektrodenpaare aus je zwei identischen Gruppen (3, 3' und 4,4') voneinander eingeschobenen und gegeneinander elektrisch isolierten Flächenelementen gebildet ist und die vier -Kapazitäten (3-4, 3'-4, 3-4', 3'-4') zwischen diesen Elektrodenpaaren die vier veränderlichen Kapazitäten einer Sauty-Brücke bilden.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch II oder rI2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauty-Brücke Induktionsspulen (I9) besitzt, die den Kapazitäten parallel geschaltet sind.
  14. 14. Vorrichtungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis der veränderlichen Kapazität und des Galvanometers ein Verstärker und/oder Filter derart liegt, daß durch den am Verstärker und/oder Filter eintreffenden Strom das Galvanometer einem Minimalwert zustrebt.
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