DE968416C - Anordnung zur kapazitativen Bestimmung der Winkellage eines um eine feste Achse drehbaren Hebels - Google Patents

Anordnung zur kapazitativen Bestimmung der Winkellage eines um eine feste Achse drehbaren Hebels

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DE968416C
DE968416C DEB32342A DEB0032342A DE968416C DE 968416 C DE968416 C DE 968416C DE B32342 A DEB32342 A DE B32342A DE B0032342 A DEB0032342 A DE B0032342A DE 968416 C DE968416 C DE 968416C
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capacitor
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voltage
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Pierre Buisson
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    • GPHYSICS
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Description

  • Anordnung zur kapazftativen Bestimmung der Winkellage eines um eine feste Achse drehbaren Hebels Die Erfindung betrifft eine neuartige Anordnung zur kapazitativen Bestimmung der Winkellage eines um eine feste Achse drehbaren Hebels, von dem ein Teil als eine in einer durch die feste Achse verlaufenden Ebene liegende ebene Kondensatorplatte ausgebildet ist, die sich zwischen zwei feststehenden ebenen Kondensatorplatten bewegt. Diese neue Anordnung Läßt sich in besonders zweckmäßiger Weise in einem Komparator zur Messung kleiner mechanischer Dimensionen oder Bewegungen verwenden. Ein derartiger Komparator kann nicht nur zum Messen, sondern auch zur automatischen Steuerung von Geräten und Maschinen benutzt werden, wobei der Komparator die Auslösung von Vorgängen verursacht, wenn er Abweichungen der Dimensionen eines zu messenden Teils von vorgegebenen Werten feststellt.
  • Es ist an sich bekannt, kapazitative Sender mit veränderbarem Elektrodenabstand zur Bestimmung kleiner räumlicher Maße oder Verschiebungen zu verwenden. Der Erfindung liegt aber die Aufgabe zugrunde, die Winkelstellung eines Hebels in einfacher und zuverlässiger Weise auf kapazitativem Wege zu bestimmen.
  • Es sind bereits Verfahren und Einrichtungen bekannt, mit denen die Anderungen einer räumlichen Abmessung in Induktivitäts- oder Kapazitätsveränderungen umgewande!t werden können, wobei diese letzteren Veränderungen dann gemessen werden, um den Wert der Maßveränderungen festzustellen.
  • Die bekannten.Bauarten der Einrichtungen mit Induktivitäten weisen in der Herstellung Schwierigkeiten auf, besonders wenn lineare Meßkurven erzielt werden sollen.
  • In manchen bekannten Einrichtungen mit Kondensatoren werden Anordnungen verwendet, in denen die Verschiebung eines Fühlers Änderungen einer Kapazität hervorruft, so daß die Messungen der Kapazität durch Messung der Frequenz eines durch diese Kapazität abgestimmten Oszillator-Kreises vorgenommen werden kann. Unter diesen Umständen ist es schwierig, ein Gerät zu bauen, das stabil ist und von der Umgebungstemperatur, der Ionisierung der Lufthülle usw. unabhängige Ergebnisse liefert.
  • Man könnte versuchen, diesen Fehler durch gleichzeitiges Ändern einer geraden Anzahl von über eine Sauty-Brücke verbundenen Kondensatoren in einander entgegengesetzten Richtungen zu unterdrücken. Diese Anderungen lassen Abgleichfehler in der Brücke aufkommen, was durch eine Verschiebung, die auf einen zusätzlichen Kondensator zur Wiederherstellung des Abgleiches wirkt, kompensiert werden kann.
  • Es wurde auch'schon eine andere Doppel-Kapazität zur Bestimmung einer räumlichen Lage durch Betätigung eines elektrischen Ausgleiches für die bestimmte Lage verwendet.
  • Diese Systeme, bei denen die Messung stets in einer Nullpunktbrücke vorgenommen wird, sind sehr stabil, da sie von äußeren Einflüssen (Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Ionisierung, Speisespannung und -frequenz) unabhängig sind,. haben jedoch bestimmte, ihnen eigentümliche Nachteile.
  • Zunächst erfordern sie eine verhältnismäßig große elektrische Verstärkung (bestimmte Geräte dieser Bauart haben bis zu sechs Röhren), und das schließt die Möglichkeit aus, den Verstärker und den Spannungsgenerator in unmittelbarer Nähe des Fühlers unterzubringen. Deshalb muß eine Speiseleitung zwischen diesen beiden vorgesehen werden, was die Verwendung einer verhältnismäßig großen Kapazität notwendig macht, um die parasitären Kapazitätsveränderungen in der Speiseleitung (hervorgerufen durch deren Drall oder Biegung usw.) gegenüber den gemessenen Kapazitätsveränderungen außer acht lassen zu können.
  • Diese Lösung erfordert wiederum große und unförmige Kondensatoren, und es wird eine Vergrößerung der Zahl oder Fläche der Elektroden notwendig. Falls die bewegliche Elektrode senkrecht zur Fläche der Platten verstellt wird, müßte der Abstand der feststehenden Platten groß genug sein, um der Bewegung des Tasters oder Fühlers einen ausreichenden Raum zu bieten. Diese beiden Verfahren führen nur zum Bau von recht unförmigen Kondensatoren.
  • In einem bekannten Gerät, das zur elektrischen Messung von Oberflächenrauhigkeiten bestimmt ist, dient zur Abtastung der zu messenden Oberfläche ein um eine feste Achse drehbarer Hebel, von dem ein Teil als ebene Kondensatorplatte ausgebildet ist, die in einer durch die feste Achse des Hebels verlaufenden Ebene liegt und sich zwischen zwei feststehenden ebenen Kondensatorplatten bewegt.
  • Diese feststehenden Kondensatorplatten sind parallel zueinander angeordnet. Dieser bekannte kapazitative Geber ist aber nur zur Bestimmung sehr geringer Winkelverstellungen des drehbaren Hebels geeignet, was auch für seine Anwendung in einem Gerät zur Messung von Oberflächenrauhigkeiten völlig ausreicht, da diese Oberflächenrauhigkeiten nur sehr kleine Winkelverstellungen des Hebels zur Folge haben. Für größere Winkelverstellungen ist der bekannte Geber dagegen unbrauchbar, da die kapazitative Spannungsteilung zwischen den feststehenden Platten durch die am Hebel angebrachte bewegliche Platte nicht der Winkelverstellung des Hebels proportional ist. Größere Winkelverstellungen lassen sich aber nur dann mit der erforderlichen Genauigkeit messen, wenn die Meßspannung der Winkelverstellung des Hebels streng proportional ist.
  • Im Gegensatz zu der eben erwähnten bekannten Einrichtung gestattet es die erfindungsgemäße Anordnung auch bei größeren Winkelverstellungen des mit der beweglichen Kondensatorplatte starr verbundenen drehbaren Hebels eine der Winkelverstellung des Hebels streng proportionale Meßspannung zu erzielen.
  • Von der bekannten Einrichtung unterscheidet sich die erfindungsgemäße Anordnung dadurch, daß die Ebenen der feststehenden Kondensatorplatten ebenfalls die feste Drehachse des Hebels schneiden, wobei die feststehenden Kondensatorplatten an einer konstanten Wechselspannung liegen und eine Meßspannung zwischen der beweglichen und einer der festen Kondensatorplatten abgenommen wird.
  • Mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich auch sehr kleine Drehungen des Hebels um seine Achse mit großer Genauigkeit und Zuverlässigkeit bestimmen. Zu diesem Zweck ist ein Teil des um die Achse drehbaren Hebels als Kondensatorplatte ausgebildet.
  • Die Kondensatorplatte liegt in einer Ebene, die durch die Achse verläuft. Die Winkelstellung des Hebels wird nun in der Weise gemessen, daß sich die Kondensatorplatte zwischen zwei feststehenden Kondensatorplatten bewegt, zwischen denen eine Wechselspannung liegt, die von dem Generator geliefert wird. Eine solche Anordnung der drei Kondensatorpiatten wirkt wie ein kapazitativer Spannungsteiler, d. h. aber, daß an der beweglichen Kondensatorpiatte eine Spannung auftritt, deren Größe von der Stellung der Kondensatorplatte zwischen den Platten abhängig ist. Ordnet man die festen Platten so an, daß sie in Ebenen liegen, die ebenfalls die Drehachse des Hebels schneiden, so ergibt sich der weitere Vorteil, daß die an der Kondensatorplatte entstehende Spannung der Winkelstellung des Hebels zwischen den festen Platten proportional ist.
  • Da die absolute Kapazität zwischen der beweg- lichen Platte einerseits und den festen Platten andererseits keinen Einfluß auf die an der beweglichen. Platte auftretende Spannung hat, sondern ausschließlich von dem winkelmäßigen Abstandsverhältnis gegenüber den festen Platten abhängt, machen sich seitliche Verschiebungen der Platte in Richtung der Achse nicht bemerkbar und verfälschen die Anzeige nicht. Außerdem hat die erfindungsgemäße Anordnung den Vorzug, daß man den um die Achse drehbaren Hebel mit seiner Kondensatorplatte auf ein beliebiges Gleichstrompotential oder an Erde legen kann, sofern das die Verhältnisse erforderlich machen sollten.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung kann mit Vorteil die Grundlage eines Komparators bilden, der sehr kleine räumliche Maße oder Verschiebungen zu messen imstande ist. Um aus der erfindungsgemäßen Anordnung einen Komparator zu machen, genügt es im Prinzip, einen der beweglichen Kondensatorplatte gegenüberliegenden Arm des drehbaren Hebels als Tastfühler auszubilden.
  • Weitere Merkmale der Erfindung beziehen sich auf zweckmäßige Schaltungen, die zur Versorgung der feststehenden Kondensatorplatten mit der konstanten Wechselspannung sowie zur genauen Bestimmung der Meßspannung zwischen der beweglichen und einer der festen Kondensatorplatten dienen. Die Einzelheiten dieser Schaltungen gehen aus den Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Anordnung hervor, die in der Zeichnung dargestellt und nachstehend erläutert sind. Es zeigt Fig. I das Grundschaltschema für die Messung einer Verschiebung mit der erfindungsgemäßen Anordnung, Fig. 2 ein vereinfachtes Schema mit der Kombination einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer einzigen Gleichrichter-Oszillatorröhre, Fig. 3 ein erweitertes Schema ähnlich dem von Fig. 2, das ein Verfahren zur Bestätigung einer Arbeitsvorrichtung und eine Kombination der erfindungsgemäßen Anordnung mit dem Fühler eines Komparators erkennen läßt, Fig. 4 eine Ausführungsform einer besonders für Innenmessungen gestalteten Anordnung, Fig. 5 eine Ausführungsform der Anordnung für Außenmessungen, Fig. 6 die Kurven des Anodenstromes B und der Gitterspannung A' in der in Fig. g gezeigten Anordnung als Ordinaten in Funktion der als Abszissen eingezeichneten Verschiebungen des Fühlers des Komparators; die angegebenen Werte entsprechen den Effektivwerten; die Kurve C"" zeigt außerdem die entsprechende Hochfrequenz Anodenspannung; .Fig. 7 zeigt ein Schema ähnlich dem von Fig. 2 mit einer gasgefüllten Röhre zum Stabilisieren der Speisespannung, Fig. 8 ein Schaltungsschema ähnlich dem in Fig. 2 gezeigten mit einem Kompensationswiderstand, Fig. 9 ein Schaltschema, das im großen und ganzen dem in Fig. 2 gezeigten ähnlich ist, für den Fall, daß der Fühler des Komparators nicht gegen Erde isoliert werden kann, Fig. 10 eine ähnliche Schaltung, bei der die Speisespannung von einem Transistorgenerator erzeugt wird.
  • Nach Fig. I werden die beiden festen Platten I, 2 eines Doppelkondensators Ct, C2 mit einer von einem Generator G erzeugten Hochfrequenzspannung gespeist.
  • Eine bewegliche Platte P ist starr mit dem Fühler T eines Komparators verbunden, und ihre Verschiebung verursacht gleichzeitig eine Erhöhung der Kapazität C1 und eine Verminderung der Kapazität C2 oder umgekehrt. Eine bestimmte Wechselspannung kann zwischen P und I abgenommen, in einem Gleichrichter D gleichgerichtet und dann, wenn notwendig, in einem Gleichstromverstärker A, welcher mit einem Meßinstrument V verbunden ist, verstärkt werden. Man sieht, daß, wenn die Platte P von einer dicht an der festen -Platte I liegenden Stellung ausgeht und sich der festen Platte 2 nähert, die Spannung VAB an den Klemmen des Gleichrichters von einem sehr niedrigen Wert ausgeht und sich fortlaufend bis zu einem Maximalwert steigert; dieser wird erreicht, wenn sie sich sehr dicht an der festen Platte 2 befindet. Es läßt sich zeigen, daß diese Vorrichtung praktisch wie ein kapazitativer Spannungsteiler arbeitet und daß die erzielte Spannung VAB nur eine Funktion des Verhältnisses der beiden Kapazitäten C1 und C2 ist; im Falle eines Kondensators, dessen feste Platten in einem später beschriebenen Winkel zueinander geneigt stehen, oder im Falle von parallelen Platten ist diese Funktion linear. Dem Doppelkondensator können natürlich andere als die gezeigten Formen gegeben werden.
  • In gleicher Weise kann die Vorrichtung für die Messung der Spannung VAB verschiedenartige Formen und insbesondere solche haben, die später beschrieben werden. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung steigt in umgekehrtem Verhältnis zum dielektrischen Abstand unter der Bedingung, daß die Impedanz der Kapazitäten c gegen die Im pedanz des Spannungsmesserkreises klein ist. Dies läßt sich selbst für kleine Werte von C leicht verwirklichen.
  • Zu Fig. I ist ferner zu bemerken, daß der den Fühler T des. Komparators und die bewegliche Platte P des veränderbaren Doppelkondensators tragende Hebel bei 3 schwenkbar um eine feste Achse angebracht ist. Die festen Platten I und 2 der veränderbaren Kapazität liegen in ihrer Winkelstellung so zueinander, daß die Ebenen, in denen sich ihre wirksamen Flächen befinden, durch die Schwenkachse 3 gehen. Die Platte P hat Abmessungen, die denen der Platten I und 2 ähnlich sind, und wird von einem Arm 5 des Hebels getragen, dessen anderer Arm 4 entweder selbst als ein Fühler T ausgebildet ist oder aber in Verbindung mit einem zum Ausführen der gewünschten Messung geeigneten Fühler steht.
  • In der Anordnung gemäß der Erfindung ist der dielektrische Abstand zwischen den Platten unter Berücksichtigung der vorhandenen Spannungen zwischen den Elektroden auf ein Minimum herabgesetzt. Dies hat den Vorteil, daß der Wert der Kapazitäten C; und C2 erhöht und auch die Empfindlichkeit der Vorrichtung durch Vergrößerung der Veränderungen von C1 und C2 bei gleichen Werten der Verschiebung gesteigert wird. Dies ermöglicht es auch, daß der Raumbedarf des Gerätes sehr klein gehalten werden kann, weil nur ein einziger Satz von festen und beweglichen Platten verwendet zu werden braucht.
  • Wenn dafür Sorge getragen wird, daß die beiden festen Elektroden beim Bau und beim Zusammenbau symmetrisch -angebracht werden, haben Querverschiebungen der beweglichen Platte senkrecht zur Zeichenebene keine Wirkung auf das Verhältnis der Kapazitäten, so daß die erzielten Ablesungen der. Vorrichtung nicht durch eine Parallaxe beeinträchtigt werden können.
  • Es ist auch zu beachten, daß die Lage des Fühlers T, des Kontaktpunktes mit dem Fühler und auch die Lage der beweglichen Platte P auf dem -Arm 3 in bezug auf die Drehachse 3 eine gewisse mechanische Verstärkung ermöglichen.
  • Schließlich haben die Teile des Doppelkondensators keine Reibung und nehmen also keine Energie auf. Der Meßdruck kann also auf sehr niedrige Werte herabgesetzt werden und gerade noch ausreichen, um einen Kontakt mit dem zu -messenden Teil zu erzielen, was die Meßgenauigkeit -erhöht. Es ist auch sehr günstig, daß irgendeine Biegung des Hebelarmes immer einen konstanten Faktor darstellen wird, da jegliche Reibung fehlt.
  • In dem in Fig. 2 gezeigten Grundschaltschema sind die festen Platten I und 2 mit den Enden einer Spule 8 verbunden, deren eines Ende mit der Anode einer Gleichrichter-Oszillator-Verstärkerröhre 6 in Verbindung steht. Der Mittelpunkt der Spule 8 ist mit der positiven Klemme einer als Batterie dargestellten Gleichspannungsquelle verbunden, deren negative Klemme an der Kathode der Röhre 6 liegt.
  • Der Hebel 4, 5, der die bewegliche Platte P und den -Fühler T des Komparators trägt, ist unmittelbar mit dem Steuergitter der Röhre 6 verbunden, und ein Meßinstrument V liegt, in- Reihe in der Kathoden-Gitter-Rückleitung der Röhre.
  • Diese Anordnung ist der in Fig; 1 gezeigten gleichwertig, wobei die Funktionen des Gleichrichters und des Verstärkers in Fig. I mit dem Spannungsgenerator G in einer einfachen Triode 6 kombiniert sind. Die Verwendung einer Grundschaltung dieser Art ermöglicht es, das Instrument in einer äußerst leichten und zusammengedrängten Form zu bauen.
  • In Fig. 1 ist es möglich, als Wechselstromgenerator irgendeine für diesen Zweck geeignete Vorrichtung, wie Vibratoren, Entladungsröhren, Transistoren usw., zu verwenden, die in einer tragbaren Ausrüstung wegen ihrer geringen Speisespannungen gewisse Vorteile aufweisen.
  • Es, können auch bekannte Oszillatorschaltungen verwendet werden, die eine sinusförmige oder auch :licht sinusförmige Wellenform erzeugen - (z. B.
  • Kippschwingungsgeneratoren). Wechselstrom der üblichen Industriefrequenzen kann genausogut ver wendet werden.
  • Die Verwendung von Niederfrequenz als Speise spannung weist keine Nachteile auf, ausgenommen, daß sie wegen der hohen Impedanz der Kondensatorelemente einen Gleichrichterverstärker mit einer sehr hohen Impedanz erfordert, da der Widerstand des Stromkreises des Meßinstrumentes imnler groß gegen die kapazitative Impedanz sein soll.
  • In gleicher Weise können alle bekannten Gleichrichter und Verstärkereinheiten, wie Kupferoxyd-und Selengleichrichter, Germaniumdioden usw., verwendet werden; in bestimmten Fällen kann der Verstärker wegfallen.
  • In einer vorzugsweisen Ausführungsform, die schematisch in Fig. 3 gezeigt ist, arbeitet eine einfache Triodenröhre 6 gleichzeitig als Oszillator, Gleichrichter und Verstärker, ähnlich wie die Röhre 6 in Fig. 2. Diese Anordnung gestattet, das Gerät im Bau recht klein zu halten, und ferner die Anbringung der Röhre in unmittelbarer Nähe des Fühlers, was das Gerät gleichzeitig handlich und wirtschaftlich macht.
  • Bei dieser Schaltung ist die Anode 7 der Triode 6 mit einer Induktionsspule 8 verbunden, die eine Mittelanzapfung hat, die mit einer Gleichstromquelle oder mit einer pulsierenden Spannung ver-.bunden ist. Die Enden g und 10 sind je über einen Sperrkondensator II mit den festen Elektroden 1 und 2 des Doppelkondensators verbunden. Die bewegliche Platte P des Doppelkondensators, die sich zusammen mit dem Fühler T bewegt, ist gegen Erde isoliert und mit dem Gitter I2 der Triode 6 verbunden. Ein Widerstand 13 und ein Galvanometer V sind in der Rückleitung vom Gitter I2 zur Kathode 14 vorgesehen. Ein veränderbarer Kondensator 15 ermöglicht die geringfügige Verstellung des Symmetriepunktes und dient als Mikrojustierung der Stellung, wodurch gleichzeitig der nutzbare Ablesebereich vergrößert wird.
  • Die Schaltung unterscheidet sich von einem normalen Hartley-Oszillatorkreis durch eine zusätzliche Kapazität. Das Ergebnis ist, daß die dem Gitter aufgedrückte Energie durch einen Vektor dargestellt wird, der dieSumme von zwei Vektoren von einander entgegengesetzten Phasen ist und den beiden Hälften der Induktionsspule 8, entspricht.
  • Wenn sich die festen Kondensatorplatten I, 2 und die Induktionsspule 8 in bezug auf die bewegliche Platte P des Kondensators in völligem Gleichgewicht befinden, also bei einer mittleren Stellung des Fühlers T des Komparators, so ist die dem Gitter 12 aufgedrückte Spannung gleich Null, und die Röhre 6 kann nicht schwingen. Wenn sich der Fühler T nach unten bewegt, d. h., wenn die bewegliche Platte P sich der festen Platte I nähert, erfährt die dem Gitter 12 aufgedrückte Spannung eine Phasenverschiebung von I800 und verhindert das Schwingen. Wenn der Fühler T sich nach oben bewegt und die bewegliche Platte P sich der festen Platte 2 nähert, arbeitet die Röhre 6 als Oszillator.
  • Die Anordnung unterscheidet also die Bewegungs- richtung der Meßverschiebung und mißt nur die Verschiebung in einer Richtung.
  • Selbstverständlich können die Verbindungen mit den Klemmen des veränderbaren Doppelkondensators umgekehrt werden, um die Verschiebungen je nach Wunsch in der einen oder der anderen Richtung zu messen. Der Nullpunkt des Gerätes entspricht der Mittelstellung.
  • Die Vorspannung des Gitters der Röhre 6 ist sehr klein oder gleich Null, und ihre einzige Aufgabe ist es, die Anodenleistung in zulässigen Grenzen zu halten, wenn die Schwingungen einsetzen. Diese Begrenzung kann vorteilhaft durch die Verwendung einer Mehrgitterröhre vorgenommen werden oder mittels einer dem Schirmgitter aufgedrückten Spannung, die den Anodenstrom auf einen zulässigen Wert begrenzt.
  • Fig. 4 zeigt eine besonders für Innenmessungen geeignete Ausführungsform des Fühlers des Komparators und des veränderbaren Doppelkondensators. Für die gleichen Teile sind die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. I genommen worden.
  • Das Schwenkglied S ist so ausgebildet, daß es den festen Teil des Doppelfühlers des Instrumentes .bildet. Die obere feste Platte I wird in ihrer normalen Lage durch Widerlager a und b gehalten, gegen die sie normalerweise durch eine Feder d gedrückt wird. Diese Anordnung dient als federnder Puffer, um die Messung von Teilen besonders großer Dicke zu ermöglichen, wobei ein Kondensator zwischen jeder festen Platte und den Klemmen der Induktionsspule eingeschaltet ist, um Kurzschlüsse zu vermeiden, wenn sich die beiden Platten berühren.
  • Eine ähnliche gefederte Anbringung für die feste Platte 2 ist in der in Fig. 3 veranschaulichten An ordnung gezeigt, wobei die Platte 2 normalerweise in ihre feste Stellung mittels einer zentralen Druckfeder 22 gedrückt wird.
  • Für Außenmessungen kann die in Fig. 5 gezeigte Anordnung genommen werden, in der sich die Fühlerstange R zum Betätigen der beweglichen Platte P über einen Kurbelhebelarm 4 eignet.
  • Fig. 6 zeigt die Änderungen der GitterspannungA' des Anodenstromes B und der Hoch frequenzspannung an den Klemmen der Induktionsspule 8 in Fig. 3 als Funktionen der Verschiebung des Fühlers T des Komparators, wobei sie von einem dem Einsetzen der Schwingungen entsprechenden Punkt ausgehen. Diese Kurven beziehen sich besonders auf die in Fig. 3 gezeigte Schaltung.
  • Es ist ersichtlich, daß die Gitterspannung A' zunächst etwa linear verläuft, wobei sie eine ziemlich steile Neigung (Zone 1) aufweist, und dann scharf abbiegt (Zone II), worauf eine Änderung folgt, die fast linear mit einer weniger starken Neigung (ZoneIII) ist.
  • Der Anodenstrom B, der zu Beginn ziemlich hoch - ist und, wie bereits erwähnt, mittels einer gezeigt neten Vorrichtung begrenzt ist, fällt ziemlich schnell und mit praktisch linearem Verlauf in Zone 1 ab, biegt scharf nach rechts in Zone II um und wird darnach in Zone III fast konstant. Schließlich beginnt die Hochfrequenzspannung an den Klemmen der Induktionsspule 8 mit einem scharfen Anstieg in fast linearer Weise in der Zone I, krümmt sich scharf in Zone II und wird fast konstant in Zone III.
  • D5e beiden Kurven.i4' und B deuten eine Anzahl von Verwendungsmögl.ichkeiten der Einrichtungen an, wie das Vornehmen von Messungen oder das Betätigen einer Steuerung als Funktion der Verschiebung eines Fühlers T des Komparators: a) Durch eine Messung der Gitterspannung A' in der Zone 1. Hier steht eine hohe Empfindlichkeit zur Verfügung, jedoch hat diese Zone nur einen kleinen Bereich und geht danach schnell in eine Zone über, in der die Spannungsänderungen nicht mehr proportional zu den Verschiebungen sind (Zone II). In diesem Falle beträgt der Meßbereich nur wenige Mikron. b) Durch Messung der Gitterspannung A' in der Zone III. In diesem Falle stehen eine proportionale Ablesung und ein großer Meßbereich zur Verfügung (mehrere Zehntelmillimeter). Dies ist eine zweckmäßige Anwendungsform zum Messen. Das Meßinstrument V kann dann direkt in Längeneinheiten eingeteilt sein. c) Durch Anderung des Anodenstromes B in der Zone I. Dies ist das bevorzugte Anwendungsverfahren für die Steuerung einer Maschine in Abhängigkeit von Dimensionsänderungen. Es ist zu erkennen, daß, wenn die Änderung nach Null hin geht, ein sehr schneller Anstieg des Anodenstromes erfolgt, der durch die Spule I6 eines Relais 17 (s. Fig. 3) fließt und dazu dient, um einen in einem Arbeitskreis liegenden Kontakt zu betätigen. Das Relais I7 kann mit einer Kompensationsspule I8 ausgestattet sein, die ein magnetisches Feld erzeugt, das gleich und entgegengesetit dem ist, welches durch den stabilen, im Falle großer Verschiebungen des Fühlers erzielten Anodenstrom entsteht. Die Kompensationsspule 18 kann vorteilhaft mit einer Anzapfung der in Fig. 3 als Batterie gezeigten Gleichstromquelle verbunden sein. Der bewegliche Kontakt 19 des Relais ist zum Offnen und Schließen des Stromkreises der Steuervorrichtung CD' (Fig. 3) geeignet.
  • Man sieht, daß sich in Zone 1 der Anodenstrom auch in linearer Weise als Funktion der Speisespannung ändert, was einen Fehler hervorrufen kann. In der Praxis wird man für verschiedene Werte der Speisespannung die Steigung des mit der Anodenstromkurve zusammenfallenden Teiles der Geraden ändern, jedoch schneiden diese Geraden die Achse e in einem gedachten festen Punkt N, da der Strom gleich Null ist. Die Kompensationsspule oder eine Potentiometervorrichtung, die den durch das Relais in einem festen Punkt der Kurve fließenden Strom aufhebt, macht aber den Punkt N reell, und die durch die Speisespannung hervorgerufenen Fehler verschwinden in diesem Punkt. Der Nullpunkt entspricht als genau einer gegebenen-Stellung des Fühlers T und ist unabhängig von der Speisespannung und von der Umgebungstemperatur.
  • Im Falle einer Messung, bei der die Gitter- spannung A' in der Zone III als Maß der Verschiebung des Fühlers T verwendet wird, hat die Gitterspannung' eine Neigung, die auch von der der Röhre aufgedrückten Gleichspannung abhängig ist. Es können auch bei Schwankungen dieser Spannung Fehler vorkommen.
  • Die Speisespannung kann durch bekannte Mittel stabilisiert werden, oder es wird im Falle der Verwendung von Akkumulatoren ein Regelwiderstand verwendet, um die Spannung auf einen bestimmten, mittels eines Voltmeters zu prüfenden Wert zu halten. Es kann auch eines der nachfolgenden Verfahren verwendet werden: I. Die Spitzen der der Anode in Zone III aufgedrückten Wechselspannung können, wie in Fig. 7 gezeigt, mittels einer parallel zu der Induktionsspule 8 liegenden gasgefüllten Röhre 20 beseitigt werden. Dies gleicht durch Schwankungen der Anodenspannung und der Heizspannung verursachte Fehler aus.
  • 2. Der am Gitter als Funktion der gemessenen Spannung und der Speisespannung abgelesene Spannurlgswert kann korrigiert werden. Um dies vorzunehmen, genügt es, den Speisewiderstand des Meßinstrumentes V durch eine Vorrichtung 21 (Fig. 8) zu ersetzen, deren Widerstand sich in Abhängigkeit von der Speisespannung ändert (Widersfand mit hohem Temperaturkoeffizienten) oder parallel zu dem Meßinstrument einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten zu legen, wobei diese Widerstände indirekt, beispielsweise mittels eines wie in Fig. 8 schematisch gezeigten Heizstromes, geheizt werden.
  • Wenn es notwendig sein sollte, die Spannung zu verstärken, könnte die Schaltung von Fig. 3 verwendet und durch einen oder mehrere Verstärker vervollständigt werden, wobei die zu verstärkende Spannung je nach dem vorliegenden Falle von der Induktionsspule 8 am Punkt g oder 10 oder von den Widerständen 13 oder 2I im Punkt D" (s. Fig. 3 und 8) abgenommen wird. Diese Verbindungen sind mit gestrichelten Linien in X, X1, X2 in Fig. 8 angedeutet, während die Verstärker schematisch mit A und die Arbeitsvorrichtung mit UD gezeigt sind.
  • Diese Schaltung ist durch eine Verbindung von der Kathodenseite des Meßinstrumentes zur Erde, wie mit E gestrichelt gezeigt, vervollständigt.
  • Wenn die bewegliche Kondensatorplatte des Doppelkondensators, die mechanisch direkt mit dem -Fühler T verbunden ist, gegen Erde nicht isoliert werden kann, so wird die in Fig. g gezeigte Schaltung verwendet. In dieser Schaltung wird das Gitter über zwei Kondensatoren C', C" gesteuert, die mit den Enden einer Induktionsspule 23 verbunden sind, und erhält folglich zwei Spannungen mit entgegengesetzten Phasen, wobei die Anode an dem einen Ende einer mit der Spule 23 induktiv gekoppelten Spule 24 angeschlossen ist, deren anderes Ende mit dem positiven Pol einer Gleichstromquelle in Verbindung steht. Wenn die Erdrückleitung über zwei weitere Kondensatoren C1, C2, ausgeführt ist, die . die von dem veränderbaren Doppeikondensator gemäß der ?Erfindung gebildet werden, so entsteht gegen Erde eine Gitterspannung, die je nach der Stellung des Fühlers in bezug auf seine Ruhelage in Phase ist und das Einsetzen von Schwingungen ermöglicht oder entgegengesetzte Phase hat.
  • Die gezeigten Triodenböden können selbstverständlich durch Transistoren oder durch Elektrodenröhren mit mehreren Gittern oder durch irgendeine andere gleichwertige Vorrichtung ersetzt werden. Folglich soll mit dem Ausdruck »Elektronenröhre« irgendeine Elektronenvorrichtung, welche eine Anode, eine Kathode und wenigstens ein Gitter oder andere gleichwertige Elektrodenelemente hat, bezeichnet sein, während der Ausdruck »Gitter« die Steuerelektrode einer solchen Vorrichtung andeutet. Die anderen Gitter oder Elektroden der Vorrichtung können - soweit vorhanden - zur Erzielung zusätzlicher Steuerwirkungen verwendet werden.
  • Eine abgeänderte Schaltung mit einem Transistor wird in Fig. 10 gezeigt. Der Teil A" zeigt einen Traussistorgenerator bekannter Bauart. Der TeilB' stellt die Anordnung dar, die die mechanischen Verschiebungen in Änderungen elektrischer Größen umwandelt und den Hauptgegenstand der Erfindung bildet.
  • Eine Glimmentladungsröhre dient zum Stabilisieren der den äußeren festen Platten des Doppelmeßkondensators aufgedrückten Spannung. Der Teil C"' stellt eine Schaltung zum Messen des Ausgangspotentials dar, wobei eine Germaniumdiode von ebenfalls bekannter Bauart verwendet wird.

Claims (10)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Anordnung zur kapazitativen Bestimmung der Winkellage eines um eine feste Achse drehbaren Hebels, von dem ein Teil als eine in einer durch die feste Achse verlaufenden Ebene liegende ebene Kondensatorplatte ausgebildet ist, die sich zwischen zwei feststehenden ebenen Kondensatorplatten bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der feststehenden Kondensatorplatten (I, 2) ebenfalls die feste Drehachse (3) des Hebels schneiden, wobei die feststehenden Kondensatorplatten an einer konstanten Wechselspannung (G) liegen und eine Meßspannung zwischen der beweglichen (P) und einer der festen Kondensatorplatten abgenommen wird.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch I, gekennzeichnet durch ihre Anwendung in einem Komparator, -indem ein der beweglichen Kondensatorplatte (P) gegenüberliegender Arm (4) des drehbaren Hebels den Fühler (T) des Komparators trägt.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch.I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Kondensatorplattert (I, 2) mit den Enden einer Spule (8) verbunden sind, an deren Mittelpunkt der positive Pol einer Gleichstromquelle liegt, und daß eine Elktronenröhre (6) mit ihrem Gitter an die bewegliche Plate (P), mit ihrer Anode an ein Ende der Spule (8) und mit ihrer Ka- thode an den negativen Pol der Gleichstromquelle angeschlossen ist, so daß eine geringe Bewiegung des Fühlers (T) in eine beträchtliche und praktisch lineare -Änderung der von einem elektrischen Meßgerät (V) angezeigten Spannung zwischen der Kathode und dem Gitter der Röhre (6) umgewandelt wird.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem positiven Pol der Gleichstromquelle und dem Mittelpunkt der Spule (8) ein Relais (I7) und zwischen Kathode und Gitter der Röhre (6) ein Widerstand (I3) eingeschaltet ist, so daß eine geringe Bewegung des Fühlers (T) in eine wesentliche Änderung des- über das Relais fließenden Stromes umgewandelt wird.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais eine durch die Gleichstromquelle erregte Kompensationsspule (I8) aufweist.
  6. 6. Anordnung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein das leichte Einstellen des Nullpunktes erlaubender Trimmerkondensator (I 5) zwischen der beweglichen Platte (P) und einer der festen Platten liegt.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Kondensatorplatten (I, 2) mit den beiden Elektroden einer Glimmentladungsröhre (20) verbunden sind.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter der Elektronenröhre mit den Enden einer ersten Spule (23) über zwei Kondensatoren (C', C") und die Anode mit dem einen Ende einer induktiv mit der ersten Spule (23) gekoppelten zweiten Spule (24) verbunden ist, wobei das andere Ende der zweiten Spule mit dem positiven Ende der Gleichspannungsquelle verbunden ist, deren negatives Ende mit der Kathode der Elektronenröhre verbunden ist, während die bewegliche Kondensatorplatte (P) mit der Kathode verbunden ist und geerdet werden kann.
  9. 9. Anordnung nach den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Kondensator (II) zwischen jeder festen Platte (I, 2) und den Enden (9, Io) der Spule (8) liegt.
  10. 10. Anordnung nach den Ansprüchen 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine (2) der festen Kondensatorplatten gegen die andere feste Platte (I) verstellbar angeordnet ist und durch eine Feder (d bzw. 22) derart in ihre normale Arbeitsstellung gegen Widerlager (a, b) gedrückt wird, daß die bewegliche Kondensatorplatte (P) die verstellbare feste Platte (2) bei der Messung von verhältnismäßig sehr dicken Teilen entgegen der Wirkung der Feder (d bzw.
    22) von den Widerlagern abheben kann.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 585 247; Pflier: »Elektrische Messung mechanischer Größen«, I948, S. 6I bis 64.
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Cited By (3)

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DE1303814B (de) * 1963-05-13 1972-12-14 Apparecchi Elettronici Marposs
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