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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

Tag der Anmeldung: 22. Dezember 1954 Bekanntgemacht am 13. Oktober 1955Registration date: December 22, 1954. Advertised on October 13, 1955

DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE

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 Plattenkondensator 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:If thickness or distance measurements are to be carried out electrically, which is particularly important for control arrangements such as those used in mass production, a plate capacitor is often used, the plates of which can be shifted parallel to one another. The different capacitance values caused by the different distances between the plates serve in this case as a measured variable for the distances to be measured. Since capacitance C and plate spacing X are inversely proportional in a plate capacitor with parallel plates:

= K= K

(ε = Dielektrizitätskonstante) IK = Konstante)
LF = Plattenfläche) (ε = dielectric constant) IK = constant)
LF = plate area)

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 direkterIn the case of a capacitance measurement, there is no linear relationship between capacitance C and distance X, that is to say between measured variable and distance. For regulating processes, however, linear relationships are desired, since regulation can be carried out better in this case. Non-linear relationships between the measured variable and the distance make it difficult to use the measured variable for control purposes or possibly even make it impossible to achieve stable control conditions. But also with direct

509 568/184509 568/184

S 42047 IXbI 42 bS 42047 IXbI 42 b

Abmessung del' Ahstandswerte X von einem elektrischen Meßinstrument ergibt ein linearer Zusammenhang einen grol.li :v;i Meßumfang und klarere Ableseverhältnisse. Der oben erwähnte Nachteil kann vermieden werden, wenn der Meßkondensalor an eine steuerbare Wechsel:;] a:uiimg U_c gelegt und der dabei auflrelende Kondeiisatorstrom konstant gehalten wird. Kür den im Kondensator fließenden Strom ic The dimension of the distance values X of an electrical measuring instrument results in a linear relationship with a large: v; i measurement range and clearer readings. The above-mentioned disadvantage can be avoided if the measuring capacitor is connected to a controllable alternation :;] a: uiimg U _c and the condenser current flowing is kept constant. Freely the current ic flowing in the capacitor

eilt die Beziehung/₍· I'c <n ■-- Uc · K the relation / ₍ · I'c <n ■ - Uc · K

Λ ΑΛ Α

(K konstant). Hieraus ist sofort ersichtlich, daß bei konstant gehaltenem Strom die Spannung Uc dem l'lattenabstand A' proportional ist. An diese Kikennlnis knüpft die Erfindung an und ermöglicht (K constant). From this it is immediately evident that with the current kept constant, the voltage Uc is proportional to the lath spacing A '. The invention builds on this knowledge and makes it possible

1.1 eine Lösung der Aufgabe, einen linearen Zusammenhang zwischen den Meßwerten eine- Kapazitätsmessung und einer Abstandsmessung zu schallen, was insbesondere für Meß- und Rcgelzw'ecke sehr vorteilhaft ist.1.1 a solution to the problem, a linear relationship a capacitance measurement between the measured values and a distance measurement, which is especially good for measurement and control purposes is advantageous.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßverfahren und eine Anordnung zur Dicken- bzw. Abstandsmessung unter Verwendung eines Kondensators, insbesondere eines l'laitenkondensators mit veränderbarem l'lal tenalistand und wird darin gesellen, daß ein von einem Generator erzeugter und im Kondensatorkieis lließeuder Wechselstrom unabhängig vom l'lal lenabsland bzw. der Kapazität des Kondensators auf einen konstanten Wert eingeregelt wird, so daß die am Kondensator liegende Spannung dein Plattcn-The invention relates to a measuring method and an arrangement for measuring thickness and distance using a capacitor, in particular a l'laite capacitor with changeable l'lal tenalistand and will be joined in that an alternating current generated by a generator and left in the capacitor circuit independently of the l'lal lenabsland or the capacitance of the capacitor is regulated to a constant value, so that the voltage across the capacitor is your plate

3d abstand und damit auch dem zu messenden Abstand direkt proportional ist. Zweckmäßigei weise kann dies dadurch erreicht werden, daß der Kondensator-Stromkreis derart über ein Koppelglied mit einem Vergleichst iomkreis, in dem ein Vergleichsstrom von gleicher Frequenz wie der Kondensatorstrciin, jedoch nut einer Phasenverschiebung von liv> fiießt, gekoppelt wird, daß eine Kompensation zwischen Kondensalorstroni und Vergleiehsstiom im Koppelglied stattfindet, so daß zur Krreichung eines kon-3d distance and thus also the distance to be measured is directly proportional. Expediently, this can be achieved in that the capacitor circuit in this way via a coupling element with a comparison circuit in which a comparison current of the same frequency as the capacitor strip, but with a phase shift of liv> fiiess, is coupled that a compensation between Condensate orstroni and comparison stiom in the coupling link takes place, so that to reach a con

•1(1 stauten Kondensatoistronies auf Stromlosigkei' im Koppelglied eingeregelt werden mtif5. Zur Ausübung des Meßverfahrens gemäß der Erfindung wird eine Anordnung vorgeschlagen, bei der an ein mit dem Kondensalorkieis in Verbindung stehendes Indiicatorglied (Kühler) ein Kegler angeschlossen ist, der über ein Stellglied den Wechselstrom im Kondensatorkreis konstant hält. Das Indikalorglied (Kühler) oiler der Kegler können direkt an das Koppelglied, in dem im eingeregelten Zustand eine Kompensation des aus dem• 1 (1 accumulated condensate distribution on currentlessness in the Coupling link can be adjusted mtif5. To exercise the measuring method according to the invention, an arrangement is proposed in which at a with the Capacitor is a related indicator member (Cooler) a cone is connected, which via an actuator the alternating current in the condenser circuit keeps constant. The indicator link (cooler) oiler of the bowlers can be connected directly to the coupling link in which the im regulated state a compensation of the

5» 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 Kifmdung sind aus den Patentansprüchen zu entnehmen.5 »capacitor circuit and the one from the comparison circuit originating current takes place, be connected, so that the setpoint of the controller in the zero point (Currentlessness in the coupling link). Other features" the Kifmdung can be found in the claims.

In der Zeichnung sind mehrere AusführungsbeispieleSeveral exemplary embodiments are shown in the drawing

gemäß der Erfindung in vereinfachter, schematischer jaccording to the invention in a simplified, schematic j

Koim dargestellt. IKoim depicted. I.

Der Meßkondensator ist in sämtlichen Kiguren mitThe measuring capacitor is included in all figures

fin C_x 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 Aufnähme des zu messenden Gegenstandes derart verbunden, daß eine lineare Abhängigkeit zwischen Platlenabstand 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 N₁, verursacht. Uni eine Verfälschung der Meßwerte zu vermeiden, muß die Meßfrequenz so gewählt werden, daß die Be-fin C _x and consists of two opposing plates of equal size, the distance between which can be changed. The plates are guided exactly parallel and connected to a device for picking up the object to be measured in such a way that there is a linear relationship between the plate spacing and the distance to be measured. The object to be measured can also be placed directly between the two plates of the measuring capacitor or several measuring capacitors, especially when it is a strip-shaped material or the like. In this case, however, it should be noted that the material located between the covers or plates of the capacitor represents a dielectric which causes an ohmic or dielectric loss resistance N _1. To avoid falsification of the measured values, the measuring frequency must be chosen so that the

dnigung N₁, ■ ■_ erfüllt ist.dnigung N ₁ , ■ ■ _ is fulfilled.

Nach rig. 1 speist ein Wechselstromgenerator 1 einen als Stellglied 2 dienenden Verstärker mit steuerbarer Ausgangsspannung U_x, die unabhängig vom l'iaUenabstand bzw. der Kapazität des Meßkondensators im Kondensatorstromkreis einen konstanten Strom ic hervorruft. Der gleichfalls vom Generator erzeugte Vergleichsstrom i_const ist in der Phase um i8o° gegenüber dem Kondensatorstrom ig verschoben und wird einem zugleich als Koppelglied und Indikatorglied verwendeten Shunt R zugeführt. Der Shunt R liegt also gleichzeitig im Kondensator- und im Vergleiclisstromkreis, 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 Kondensatorstroinkreis der gewünschte konstante Strom fließt. Der Spannungsmesser U_x zeigt eine dem Plattenabstand A' proportionale Spannung an. Auf die Skala des Spannungsmessers kann ein geeigneter Längenmaßstab für den zu messenden Abstand Λ' 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.After rig. 1, an alternating current generator 1 feeds an amplifier serving as an actuator 2 with a controllable output voltage U _x , which produces a constant current ic in the capacitor circuit independently of the spacing or the capacitance of the measuring capacitor. _{The comparison current i const, which} is also generated by the generator, is shifted in phase by 180 ° with respect to the capacitor current ig and is fed to a shunt R which is used both as a coupling element and an indicator element. The shunt R is thus in the capacitor and in the comparison circuit at the same time, so that in the regulated state a compensation of the currents flowing in the two circuits takes place. No current then flows in the shunt R , so that the controller 3 connected to R must adjust to the absence of current (the setpoint of the controller is therefore in the zero point), so that the desired constant current flows in the dry capacitor circuit. The voltmeter U _x shows a voltage proportional to the plate spacing A '. A suitable length measure for the distance Λ 'to be measured can be plotted on the voltmeter scale. The voltage meter Ux can also be replaced by a further controller to which the voltage, which is linearly dependent on the measured distance, is fed as an input variable.

In Fig. 2 ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel dargestellt, jedoch mit dem Unterschied, daß an Stelle einer galvanischen eine induktive Kopplung zwischen Kondensator- und Vergleiclisstromkreis vorgesehen ist.In Fig. 2 a similar embodiment is shown, but with the difference that in place a galvanic an inductive coupling between the capacitor and comparison circuit is provided.

Der durch den Shunt Λ' fließende Strom wird durch einen Resonanzkreis C₃ L₃ phasenfrei abgestimmt. Der Strom i<· und der Vergleichsstrom i_C!inst werden den Spulen L₁ und L₀ zugeführt, die untereinander und mit der im Reglereingangskrcis liegenden S])IiIcL₃ gekoppelt sind. Zur Einregulierung des Vergleichsstromes nach Betrag und Phase ist es vorteilhaft, ein regelbares RC-G1ied R₁C₁ in den Vergleiclisstromkreis einzuschalten.The current flowing through the shunt Λ 'is tuned phase-free _{by a resonance circuit C 3} L _3. The current i <· and the comparison _{current i C! Ins} t are fed to the coils L ₁ and L ₀ , which are coupled to one another and to the S]) IiIcL _{3 in the controller input circuit.} To adjust the comparison current according to magnitude and phase, it is advantageous to connect a controllable RC-G1ied R ₁ C ₁ to the comparison circuit.

Der Kondensator- und der Vergleichsstrom können iao auch zwei getrennten Transformatoren (L_1nL_2n, L_nL₃₁) zugeführt werden, deren Sekundärwicklungen gegeneinander geschaltet sind. In diesem Fall werden, wie Fig. 3 zeigt, zwei getrennte Widerstände A'₁₍₎ und R_n und zwei getrennte Abstimmkreise L._lnC_ln und L₁₁C₁₁ vorgesehen.The capacitor and comparison currents can generally also be fed to two separate transformers (L _1n L _2n , L _n L ₃₁ ) whose secondary windings are connected to one another. In this case, as FIG. 3 shows, two separate resistors A ' _{1 ()} and R _n and two separate tuning circuits L. _ln C _ln and L ₁₁ C _{11 are} provided.

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S 42047 IXb/42bS 42047 IXb / 42b

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.If the voltages occurring at the resistor R are very low, amplification is recommended, which is done with the aid of an amplifier 4, as shown in FIG. A device 5 is connected to the amplifier 4, which device enables the amplified voltage to be compared with the comparison voltage originating from the generator. There is also the possibility of connecting a rectifier 6 to the amplifier 4 (see Fig. 5) so that the amplified and rectified voltage can be compared with a constant DC voltage taken from a reference voltage source 7, and if necessary also compensated, before it is fed into the controller input got.

Claims

PATENT CLAIM:

1. Measuring method for thickness or distance measurement using a capacitor, in particular a plate capacitor with variable plate spacing, characterized in that that an alternating current generated by a generator and flowing in the capacitor circuit regardless of the plate spacing or the capacitance of the capacitor to a constant value is regulated so that the voltage across the capacitor corresponds to the plate spacing and thus is also directly proportional to the distance to be measured. ^

2. The method according to claim 1, characterized in that that the capacitor circuit in such a way via a coupling element with a comparison circuit, in which a comparison current of the same frequency as the capacitor current, but with a phase shift of i8o °, flows, is coupled that a compensation between capacitor current and comparison current takes place in the coupling element, so that to achieve a constant Capacitor current must be adjusted to currentless in the coupling element.

3. Arrangement for performing the method according to claim 1 or 2, characterized in that a controller is connected to an indicator element (sensor) connected to the capacitor circuit which keeps the alternating current in the capacitor circuit constant via an actuator.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the indicator member (sensor) -or the Controller to the coupling element, in which in the regulated state a compensation of the from the capacitor circuit and the current coming from the comparison circuit takes place, connected so that the setpoint of the controller is in the zero point (no current in the coupling element).

5. Arrangement according to claim 3 and 4, characterized in that the alternating current for the Capacitor circuit and for the comparison circuit comes from the same generator.

6. Arrangement according to one of claims 3 to 5, characterized in that an amplifier as the actuator Is used and that the generator is the flowing through the amplifier and for the Capacitor circuit controls specific alternating current in terms of frequency and phase while the regulator controls the amplitude of this alternating current.

7. Arrangement according to claim 4, characterized in that the comparison circuit and the Capacitor circuit are galvanically coupled to one another.

8. Arrangement according to claim 4, characterized in that the comparison circuit, the capacitor circuit and the controller input circuit are inductively coupled to one another.

9. Arrangement according to one of claims 3 to 8, characterized in that the comparison circuit and / or the capacitor circuit and / or regulator input circuit, which the indicator element and / or the coupling element contains, tunable with respect to the amplitude and phase of the alternating current are.

10. Arrangement according to one of claims 3 to 9, characterized in that between the indicator member and the controller an amplifier for amplifying the flowing in the capacitor circuit Alternating current or a voltage derived from it is arranged.

11. Arrangement according to claim 10, characterized in that that a rectifier is arranged between the amplifier and controller, the amplified Converts alternating current into a direct voltage, which in turn can be compensated by means of a comparative direct voltage around the zero point as a setpoint for the controller.

12. Arrangement according to one of claims 3 to

11, characterized in that a voltmeter or another regulator is connected to the capacitor which carries out a thickness or distance control.

13. Arrangement according to one of claims 3 to

12, characterized in that a capacitor is used as the plate too capacitor,

which fulfills or approximately fulfills the relationship C = K ■ -ψ.

14. Arrangement according to claim 13, characterized in that in a measuring arrangement in which the object to be measured is wholly or partially located between the capacitor plates and causes an ohmic or dielectric loss resistance R ₁ , the measuring frequency is selected

is that the condition R ₁ , p> ---- is met.

15. Arrangement according to claim 13, characterized in that that the device under test is outside of the capacitor plates between two measuring jaws or the like plates are connected that the distances and / or the changes in distance between the two measuring jaws and the two capacitor plates are the same size or proportional to each other. 'iao

1 sheet of drawings