DE941322C

DE941322C - Messverfahren zur Dicken- bzw. Abstandsmessung unter Verwendung eines Kondensators, insbesondere eines Plattenkondensators mit beweglichen Platten

Info

Publication number: DE941322C
Application number: DES42047A
Authority: DE
Inventors: Otto Eisenschmid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1954-12-23
Filing date: 1954-12-23
Publication date: 1956-04-05

Description

Meßverfahren zur Dicken- bzw. Abstandsmessung unter Verwendung eines Kondensators, insbesondere eines Plattenkondensators mit beweglichen Platten Sollen Dicken- bzw. Abstandsmessungen auf elektrischem Wege durchgeführt werden, was besonders bei Regelanordnungen, wie sie beispielsweise in der Massenfertigung Anwendung finden, von Bedeutung ist, so wird hierzu vielfach ein Plaftenkondensator verwendet, dessen Platten parallel zueinander verschoben werden können. Die durch die verschiedenen Abstände der Platten bedingten unterschiedlichen Kapazitätswerte dienen in diesem Fall als Meßgröße für die zu messenden Abstände. Da Kapazität C und Plattenabstand X bei einem Plattenkondensator mit -parallel zueinander stehenden Platten umgekehrt proportional sind:

= s F K 1 8 = Dielektnzitätskonstante:

c = -- = K #K = Konstante)

X X F = Plattenfläche)

ergibt sich bei einer Kapazitätsmessung kein linearer Zusammenhang zwischen Kapazität C und Abstand X, d. h. also zwischen Meßgröße und Abstand. Für Regelvorgänge sind jedoch lineare Zusammenhänge erwünscht, da sich in diesem Falle eine Regelung besser durchführen läßt. Nicht lineare Zusammenhänge zwischen Meßgröße und Abstand erschweren eine Verwendung der Meßgröße für Regelzwecke oder machen es gegebenenfalls sogar unmöglich, stabile Regelverhältnisse zu erzielen. Aber auch bei direkter Abmessung der AbstandswerfeX von einem elektrischen Meßinstrument -ergibt ein linearer Zusammenhang einen größeren Meßumfang und klarere Ableseverhältnisse. Der oben erwähnte Nachteil kann vermieden werden, wenn der Meßkondensator an eine steuerbare Wechselspannung Uc gelegt und der dabei auftretende Kondensatorstrom konstant gehalten wird. Für den im Kondensator fließenden Stromes gilt die Beziehungic = Uo co x = UG.K zu K Q (K = konstant). Hieraus ist sofort ersichtlich, daß bei konstant gehaltenem Strom die Spannung Ua dem Plattenabstand X proportional ist. An diese Erkenntnis knüpft die Erfindung an und ermöglicht eine Lösung der Aufgabe, einen linearen Zusammenhang zwischen den Meßwerten einer Kapazitätsmessung und einer Abstandsmessung zu schaffen, was insbesondere für Meß- und Regelzwecke sehr vorteilhaft ist.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßverfahren und eine Anordnung - zur Dicken- bzw. Abstandsmessung unter Verwendung eines Kondensators, insbesondere . eines Plattenkondensators mit veränderbarem Plattenabstand und wird darin gesehen, daß ein von einem Generator erzeugter und im Kondensatorkreis fließender Wechselstrom unabhängig vom Plattenabstand bzw. der Kapazität des Kondensators auf einen konstanten Wert eingeregelt wird, so daß die am Kondensator liegende Spannung dem Plattenabstand und damit auch dem zu messenden Abstand direkt proportional ist. Zweckmäßigerweise kann dies dadurch erreicht werden, daß der Kondensatorstromkreis derart über ein Koppelglied mit einem Vergleichsstromkreis, in dem ein Vergleichsstrom von gleicher Frequenz wie der Kondensatorstrom, jedoch mit einer Phasenverschiebung von I80" fließt, gekoppelt wird, daß eine Kompensation zwischen Kondensatorstrom und Vergleichsstrom im Koppelglied stattfindet, so daß zur Erreichung eines konstanten Kondensatorstromes auf Stromlosigkeit im Koppelglied eingeregelt werden muß. Zur Ausübung des Meßverfahrens gemäß der Erfindung wird eine Anordnung vorgeschlagen, bei der an ein mit dem Kondensatorkreis in Verbindung stehendes Indikatorglied (Fühler) ein Regler angeschlossen ist, der über ein Stellglied den Wechselstrom im Kondensatorkreis konstant hält. Das Indikatorglied (Fühler) oder der Regler können direkt an- das Koppelglied, in dem im eingeregelten Zustand eine Kompensation des aus dem Kondensatorkreis und des aus dem Vergleichsstromkreis stammenden Stromes stattfindet, angeschlossen werden, so daß der Sollwert des Reglers im Nullpunkt (Stromlosigkeit im Koppelglied) liegt. Weitere Merkmale der Erfindung sind aus den Patentansprüchen zu entnehmen.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele gemäß der Ereindung in vereinfachter, schematischer Form dargestellt.
Der Meßkondensator ist in sämtlichen Figuren mit Cr bezeichnet und besteht aus zwei sich gegenüberstehenden gleich großen Platten, deren Abstand geändert werden kann. Die Platten werden genau parallel geführt und mit einer Vorrichtung zur Aufnahme des zu messenden Gegenstandes derart verbunden, daß eine lineare Abhängigkeit zwischen Plattenabstand und dem zu messenden Abstand besteht. Das zu messende Objekt kann auch direkt zwischen die beiden Platten des Meßkondensators oder mehrere Meßkondensatoren gebracht werden, insbesondere dann, wenn es sich um bandförmiges Material od. dgl. handelt. In diesem Fall ist jedoch zu beachten, daß- das zwischen den Belegen oder Platten des Kondensators befindliche Material ein -Dielektrikum darstellt, das einen ohmschen oder dielektrischen Verlustwiderstand R verursacht. - Um eine Verfälschung der Meßwerte zu vermeiden, muß die Meßfrequenz so .gewählt werden, daß die Bedingung R p > C erfüllt ist.
Nach Fig. 1 speist ein Wechselstromgenerator 1 einen als Stellglied 2 dienenden Verstärker mit steuerbarer Ausgangsspannung Ux, die unabhängig vom Plattenabstand bzw. der Kapazität des Meßkondensators im Kondensatorstromkreis einen konstanten Stromic hervorruft. Der gleichfalls vom Generator erzeugte Vergleichsstrom iGonst ist in der Phase um I80" gegenüber dem Kondensatorstrom ic verschoben und wird einem zugleich als Koppelglied und Indikatorglied verwendeten Shunt R zugeführt.
Der Shunt R liegt also gleichzeitig ini Kondensator-und im Vergleichsstromkreis, so daß im eingeregelten Zustand eine Kompensation der in den beiden Kreisen fließenden Ströme stattfindet. Im Shunt R fließt dann kein Strom, so daß der an R angeschlossene Regler 3 auf Stromlosigkeit einregeln muß (der Sollwert des Reglers liegt also im Nullpunkt), damit im Kondensatorstromkreis der gewünschte konstante Strom fließt. Der Spannungsmesser Ux zeigt eine dem Plattenabstand X proportionale Spannung an.
Auf die Skala des Spannungsmessers kann ein geeigneter Längenmaßstab für den zu messenden Abstand X aufgetragen werden. An die Stelle des Spannungsmessers Ux kann auch ein weiterer Regler treten, dem die linear vom gemessenen Abstand abhängige Spannung als Eingangsgröße zugeführt wird.
In Fig. 2 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel dargestellt, jedoch mit dem Unterschied, daß an Stelle einer galvanischen eine induktive Kopplung zwischen Kondensator- und Vergleichsstromkreis vorgesehen ist.
Der durch den Shunt R fließende Strom wird durch einen Resonanzkreis C3L3 phasenfrei abgestimmt.
Der Strom in und der Vergieichsstromi¢O,zst werden den Spulen, und l2 zugeführt, die untereinander urid mit der im Reglereingangskreis liegenden SpuleL3 gekoppelt sind. Zur Einregulierung des Vergleichsstromes nach Betrag und Phase ist es vorteilhaft, ein regelbares RC-Glied R1C, in den Vergleichsstromkreis einzuschalten.
Der Kondensator- und der Vergleichsstrom können auch zwei getrennten Transformatoren (L,0L20, L,,L21) zugeführt werden, deren Sekundärwicklungen gegeneinander geschaltet sind. In diesem Fall werden, wie Fig. 3 zeigt, zwei getrennte Widerstände Rlo und Ri, und zwei getrennte Abstimmkreise Lloclo und L,1 C,, vorgesehen.
Sind die am Widerstand R auftretenden Spannungen sehr gering, so empfiehlt sich eine Verstärkung, was mit Hilfe eines Verstärkers 4, wie in Fig. 4 dargestellt, geschieht. An dem Verstärker 4 ist eine Vorrichtung 5 angeschlossen, die einen Vergleich der verstärkten Spannung mit der aus dem Generator stammenden Vergleichsspannung ermöglicht. Ferner besteht die Möglichkeit, an den Verstärker 4 einen Gleichrichter 6 anzuschließen (s. Fig. 5), so daß die verstärkte und gleichgerichtete Spannung mit einer aus einer Vergleichsspannungsquelle 7 entnommenen konstanten Gleichspannung verglichen, gegebenenfalls auch kompensiert werden kann, bevor sie in den Reglereingang gelangt.

Claims

PATENTANSPRUCHE I. Meßverfahren zur Dicken- bzw. Abstandsmessung unter Verwendung eines Kondensators, insbesondere eines Plattenkondensators mit veränderbare Plattenabstand, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem Generator erzeugter und im Kondensatorkreis fließender Wechselstrom unabhängig vom Plattenabstand bzw. der Kapazität des Kondensators auf einen konstanten Wert eingeregelt wird, so daß die am Kondensator liegende Spannung dem Plattenabstand und damit auch dem zu messenden Abstand direkt proportional ist.
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatorstromkreis derart über ein Koppelglied mit einem Vergleichsstromkreis, in dem ein Vergleichsstrom von gleicher Frequenz wie der Kondensatorstrom, jedoch mit einer Phasenverschiebung von I80", fließt, gekoppelt wird, daß eine Kompensation zwischen Kondensatorstrom und Vergleichsstrom im Koppelglied stattfindet, so daß zur Erreichung eines konstanten Kondensatorstromes auf Stromlosigkeit im Koppelglied eingeregelt werden muß.
3. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an ein mit dem Kondensatorkreis in Verbindung stehendes Indikatorglied (Fühler) ein Regler angeschlossen ist, der über ein Stellglied den Wechselstrom im Kondensatorkreis konstant hält.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Indikatorglied (Fühler) oder der Regler an das Kopppelglied, in dem im eingeregelten Zustand eine Kompensation des aus dem Kondensatorkreis und des aus dem Vergleichsstromkreis stammenden Stromes stattfindet, angeschlossen ist, so daß der Sollwert des Reglers im Nullpunkt (Stromlosigkeit im Koppelglied) liegt.
5. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom für den Kondensatorstromkreis und für den Vergleichsstromkreis von dem gleichen Generator stammt.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied ein Verstärker Verwendung findet und daß der Generator den durch den Verstärker fließenden und für den Kondensatorstromkreis bestimmten Wechselstrom bezüglich Frequenz und Phase steuert, während der Regler die Amplitude dieses Wechselstromes steuert.
7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsstromkreis und der Kondensatorstromkreis galvanisch miteinander gekoppelt sind.
8. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsstromkreis, der Kondensatorstromkreis und der Reglereingangskreis induktiv miteinander gekoppelt sind.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsstromkreis und/oder der Kondensatorstromkreis undloder Reglereingangsstromkreis, der das Indikatorglied und/oder das Koppelglied enthält, in bezug auf Amplitude und Phase des Wechselstromes abstimmbar sind.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Indikatorglied und dem Regler ein Verstärker zum Verstärken des im Kondensatorstromkreis fließenden Wechselstromes oder einer von diesem abgeleiteten Spannung angeordnet ist.
11. Anordnung nach Anspruch I0, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verstärker und Regler ein Gleichrichter angeordnet ist, der den verstärkten Wechselstrom in eine Gleichspannung umwandelt, die ihrerseits mittels einer Vergleichsgleichspannung kompensierbar ist, um den Nullpunkt als Sollwert für den Regler zu erhalten.
I2. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis II, dadurch gekennzeichnet, daß am Kondensator ein Spannungsmesser oder ein weiterer Regler angeschlossen ist, der eine Dicken- bzw. Abstandsregelung durchführt.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis I2, dadurch gekennzeichnet, daß als Plattenkondensator ein Kondensator Verwendung findet, der die Beziehung C = K zu x erfüllt oder angenähert erfüllt.
14. Anordnung nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Meßanordnung, bei der sich das zu messende Objekt ganz oder teilweise zwischen den Kondensatorplatten befindet und einen ohmschen oder dielektrischen Verlustwiderstand Rm verursacht, die Meßfrequenz so gewählt ist, daß die Bedingung R,> C wO erfüllt ist.
15. Anordnung nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Meßobjekt außerhalb der Kondensatorplatten zwischen zwei Meßbacken od. dgl. befindet, die derart mit den Kondensatorplatten verbunden sind, daß die Abstände und/oder die Abstandsänderungen zwischen den beiden Meßbacken und den beiden Kondensatorplatten gleich groß oder proportional zueinander sind.