JPS61182880A - 容量式測定電極を有する測定装置 - Google Patents

容量式測定電極を有する測定装置

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JPS61182880A
JPS61182880A JP61026661A JP2666186A JPS61182880A JP S61182880 A JPS61182880 A JP S61182880A JP 61026661 A JP61026661 A JP 61026661A JP 2666186 A JP2666186 A JP 2666186A JP S61182880 A JPS61182880 A JP S61182880A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、溶接、炎切断、プラズマ切断等のために材料
を溶かし、燃焼させまたは蒸発させる熱加工ツールの熱
発生領域に配した容量測定電極を用いて、加工品と上記
ツール間の間隔を非接触測定する測定装置に関する。
従来の技術 上述したような間隔測定装置として非常にさまざまなタ
イプのものが公知であって広〈実施されており、例えば
同一出願人に係るＤＢ−Ｏ８（ドイツ出願公８）第２７
２６６４８Ｃ１９７７年６月１４日出願）、ＤＥ−Ｏ８
第２８２９８５１（１９７８年７月７日出願）、ＤＥ−
Ｏ８第２７４７５３９　（１９７７年１０月２２日出願
八スへス特許明細書第６４１９８９　（１９７９年１２
月２０日出願）等で開示されている。
この種の測定装置は非常の広範囲の熱加工処理で使用さ
れる。この種の処理として、ガス（炎、燃焼、溶接処理
）、を流（プラズマ処理）、レーザー等を用いる多種多
様の溶接処理、切断処理等がある。
よく知られているように、この種の測定装置にオイては
、測定電極と加工品間のキャパシタンスを基にして間隔
に対応する信号を生成する。詳しく述べると、このキャ
パシタンスは電極と加工品間の間隔に直接依存するもの
であり、次式により計算される。
ここに、 Ｃ：キャパシタンス（ＰＦ　（ピコファラド）〕Ａ：有
効電極面積〔−〕 ａ：電極／加工品間隔 ε：誘電率 である。電極面積Ａはあらかじめ設計により決まるので
、キャパシタンスの大きさは電極／加工品間隔と誘電率
の２つに依存することになる。
さて、熱加工ツールにおいてはその運転中に誘電率が変
化する場合がある。これは、例えば空気がイオン化され
たり、蒸発した金属の気体が加工品と電極間に入ってき
たような場合に発生する。
このような誘電率の変化は、間隔は変化しないにもかか
わらずキャパシタンスを変化させてしまうため、間隔の
測定誤差をもたらし、間隔を安定に制御できなくなって
しま−う。
〔発明の解決しようとする問題点〕
本発明はこのような乱れを可及的になくし、誘電率の変
化を補償することのできる測定装置及び加工ツールを提
供することを目的とするものである０ 〔問題点を解決するための手段と作用〕本発明によれば
、上記の目的は、ツールによシ熱が発生する領域に、そ
のキャパシタンス、すなわち加工品に対する間隔に依存
するキャパシタンスが測定電極のキャパシタンスと異な
るような構造あるいに加工品との間隔、好ましくは測定
電極よりも大きな間隔をもつ補償電極を配置し、この補
償電極より得た適当に減衰または増幅された間隔信号を
測定電極より得た測定信号に対し負帰還させることによ
り、基本的に解決される。
（例えばイオン化、金属蒸発等によって生じた）誘電率
の変化は明らかに測定電極のキャパシタンスだけでなく
補償電極のキャパシタンスをも変化させる。しかし、こ
れらの干渉信号は負帰還関係により補償される。一方、
両電極と加工品間の間隔が変化したときは、補償電極よ
り測定電極の方がキャパシタンスの変化が大きくなる。
これは、補償電極の加工品に対する間隔依存キャパシタ
ンスが、測定電極と加工品間に形成されるキャパシタン
スと異なる（好ましくは測定電極の方より小さい）から
である。したがって本発明によれば、誘電率の変化に基
づく乱れに対してはこれを補償することができるととも
に、間隔の変化に対してはこれを確実に検出し、モニタ
ーすることができる０ 上記の補償電極と測定電極の夫々をＬＣ回路の周波数変
化要素として構成し、各ＬＣ回路の出力信号について、
その周波数の変化を夫々、直流の測定信号直流の補償信
号に変換する変換手段を設け、これらの直流信号を負帰
還させる手段を設けることによシ、本発明を非常に簡単
に実施することができる。この構成によれば電極のキャ
パシタンスの変化は周波数の変化に変換されるため、電
極におけろ干渉電圧や電荷の影響を受けなくなシ、干渉
電圧と無関係に信号を処理できる。周波数の変化を直流
信号に変換する回路と、両直流信号について負帰還をか
ける回路はツールから離して配置でき、したがって干渉
電圧の影響からまぬがれる。さらにこの構成においてＬ
Ｃ回路（補償電極と測定電極を夫々を含む回路）を各発
振器の周波数決定要素とすれば特に良好な結果を得るこ
とができる。ちなみに、両回路を分離することは各発振
器の周波数を適当に選定することで確実に行なえ、周波
数変化より直流信号への変換には弁別器を用いればよく
、所望の負帰還効果及び乱れの補償効果は両弁別器の出
力を逆極性で接続することで容易に得ることができる。
使用状況によっては、測定装置にブリッジ回路を用いれ
ば充分であり、この場合、補償電極と測定電極はブリッ
ジ回路の対向するアームに挿入してキャパシタンスの同
様の変動に対して補償が行なわれるようにする。この種
の回路は上述した発振器とＬＣ回路を用いる場合に比べ
、部品コストの点では若干安く実現できるが干渉電圧の
影響は大きくなる。
測定゛電極と補償電極を環状としてツールを囲ませ、補
償電極の外径を測定電極の外径よ、り大きくすれば、両
電極に対する誘電率の変動を均一にすることができる。
補償電極はツールのまわりに配置した円筒形状にしても
よく、こうすれば運転中金属蒸気の発生等により誘電率
が変化した場合に立ち登ってくる金属蒸気が測定電極と
ツール間の環状の隙間を通り抜け、ツールと補償電極間
のキャパシタンスが測定電極と加工品間のキャパシタン
スと同様に変化する。
例えば炎切断で見られるように金属がツールに吹き付け
られるような場合には、補償電極と測定電極を中抜のデ
ィスク状としてツールのまわりに配置し、ツールの軸に
対するディスク面の角度を９０°より小さくするとよい
。この構成にすれば、金属粒子やガス雲は電極を汚すこ
となく、またそのキャパシタンスを変化させることなく
、電極とツール間を抵抗なくすばやく抜けていく。特に
加工品に対向するディスク面の傾きを７５°〜４５°の
角度にすれば非常によい結果が得られる。
ツールと電極を一体化した構造にすると、特にプラズマ
切断機の場合には良い結果をもたらす０この場合、ツー
ルの加工品側の一端に錐台状の端部材を設け、この端部
材とツールとを絶縁し、および／またはツールをアース
に対して絶縁して低キャパシタンスを形成し、端部材自
体を測定電極として用い、この端子部材のまわりに環状
の補償電極を配置する。そして、絶縁体を介して端子部
材をツールに固定し、端子部材とツール間に小さなキャ
パシタンスを形成させる。中間の絶縁体としてセラミッ
クが使用できる。
実施例 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。
第１図に示す加工ツール１は自動炎切断機（図示せず）
の火口としてノズル２を有する。ノズル２は自動駆動装
置により、切断される鋼板である加工品（母材）乙の上
方に動かされる。このノズル２には絶縁性のホルダー４
を介して測定電極５と補償電極が取り付けられている。
加工品２と電極５，６間に形成されるキャパシタンスは
ノズル２と加工品３間の間隔に依存するとともに電極５
．６と加工品６間の媒体の誘電率の変化△εにも影響を
受ける。運転中、金属蒸発や金属粒子が加工品６から出
て電極５や６と加工８乙の間を通ることがある。これに
より誘電率が変化して電極５、６と加工品６間のキャパ
シタンスの値が変わる０ 電極５と６は夫々コイル７とコイル８を有するＬＣ回路
の一部を成している。ＬＣ０回路、７と６．８は夫々、
周波数決定要素として発振器９と１０に接続されている
。したがって、電極５，６と加工品間の間隔の変化や誘
電率の変化はただちに発振器９と１０の周波数の変化と
なって現われる。発振器９と１０の出力信号は同軸ケー
ブル１１と１２を介して夫々弁別器１３と１４に供給さ
れる。この弁別器１６と１４は夫々、対応する発振器９
と１０が基準または所望の周波数で発振しているときに
は直流電圧信号を発生しないものであり、周波数の正変
化に対しては正の電圧を、周波数の負変化に対しては負
の電圧を出力する。
弁別器１４の出力には反転回路１５が接続されており、
これにより弁別器１４の正出力信号は負信号に、負出力
信号は正信号に変換される。反転回路１５の増幅率は全
体の構成のバランスを考慮して調整される。
両電極５と６は、イオン化ガスや金属蒸発のため生じる
誘電率の変化に対しては一様に影響を受けるため、発振
器９と１０の周波数変化を介して弁別器１６の出力に生
じる信号と反転回路１５の出力に生じる信号とは、大き
さは等しいが極性が逆になる。第６図に示すように、こ
の場合に生じる干渉電圧△εは補償される。したがって
、誘電率の変動に基づく電極５と６のキャパシタンスの
変化は調整増幅器１６の出力信号ＵＲには現われない。
図に示すように、加工８乙に対しては補償電極乙の方が
測定電極５よシ遠い位置にある。このため間隔の変動は
電極５と６のキャパシタンスに相異なる影響を与えるこ
とになり、発振器９と１０における周波数のずれの量も
異なってくる。したがって、間隔の変化も弁別器１６の
出力と反転回路１５の出力に反対の極性の信号をもたら
すがその大きさが異なる。したがって第６図に示すよう
に、間隔の変化量△ａによシ増幅器１６の出力には信号
ＵＲが発生し、この信号は間隔の調整および／または表
示のために既知の仕方で評価される。
第１図に示す電極５と６がツール１の脇に置いたディス
ク状（皿状）であるのに対し、第２図と第３図に示す電
極５と６はツールを囲む環状を成しており、間隔をモニ
ターするにはこの方がよシ適している。第１図に示す実
施例と同様、本例でも補償電極６の方が測定電極５より
も加工品３から遠くにある。さらに補償電極６は測定電
極５よりも外側にはり出しており、測定電極５によって
加工品３に対するキャパシタンスが影響を受けないよう
にしている。
第４図に示す電極５と６は第２図と第６図と同様に環状
電極である。しかし、加工品から噴出する金属粒子、ガ
ス蒸気等がすばやく通り抜けて電極面を汚染しないよう
にするため、第４図に示す電極はツール１の軸に対し約
４５度傾斜している。
電極５と６は下方に向って円錐状となっているため加工
品６より噴出した金属粒子は電極の傾斜面によりほとん
ど抵抗を受けない。
第５図に示す例では、測定電極５は第４図のものと対応
しているが、補償電極６ａの方はツール１と同心の筒状
を成しており、この電極は絶縁材（図示せず〕を介して
取り付けられている。この構成においてはツール１も加
工品６と同様に接地される。したがって、本例では補償
キャパシタンスＣ１１：がツール１と補償電極６ａ間に
形成され、一方測定キャバシタンスｃｄは測定電極５と
加工品間に形成される。しかし、運転中に加工品３より
イオン化ガスや金属蒸気が発生した場合、このガス、蒸
気は筒状の補償電極６ａとツール１間の環状の隙間を通
っていくことができるため、そのキャパシタンスＣＫの
値はキャパシタンスＣＭと同様に変化する。
第７図に示す回路構成においては、測定キャパシタンス
ＣＭと補償キャパシタンスＣＫを他のキャパシタンス１
７，１８とともにブリッジ回路に配置しである。この構
成で用いるキャパシタンスＣＭとＣＫは第１図から第５
図に示すいずれの電極５と６によるものであってもよい
。第７図に示すようにこのブリッジ回路には発振器１９
からの交流電圧信号が入力される。出力側には整流回路
２０と調整増幅器１６が配置される。運転中、誘電率が
変化した場合は測定キャパシタンスＣＭと補償キャパシ
タンスＣＫ　ＫＭ；ＩＫ’Ｂｄる。したがって、アーム
１７、ＣＭとアーム１８、ＣＫとは平衡を保つため、ブ
リッジ回路よシ出力は発生せず整流回路２０には信号は
入力されない。一方、間隔が変化したときは、測定キャ
パシタンスＣＭの方が補償キャパシタンスＣＫ　よりも
大きく変化するため、ブリ＆ジは不平衡状態となり、整
流回路２０の入力に入力信号が発生し、調整増幅器１６
に送られる。したがって第７図に示す測定装置は第１図
に示す測定装置と同じように動作する。また、部品コス
トは安くなる。ただし、比較的小電圧の信号をブリッジ
回路より増幅器１６へ伝送する構成なので状況によって
は妨害電圧に対する感度が高くなる。一方、第１図の構
成では情報（すなわち間隔ａの変動）は発振器９と１０
の周波数で与えられるので同軸ケーブル１１に妨害電圧
が乗っても誤差は生じない。
第８図に示す構成例では、発振器２１の出力を２つのバ
ンドパスフィルタ２２と２６に通す。回路上、測定電極
５（第１図〜第５図参照）の測定キャパシタンスＣＭは
バンドパスフィルタ２２の周波数変化要素として設けら
れる。一方、補償電極（第１図〜第５図）の補償キャパ
シタンスＣＫはバンドパスフィルタ２３の周波数決定要
素として設けられる。両バンドパスフィルタ２２と２３
は、キャパシタンスＣＭとＣＫ　　の同様の変化に対し
ては振幅は同一で逆極性の信号を出力するようになって
いる。したがって、両川力信号は第１図や第６図の場合
と同様にして補償される。第１図の回路構成と異なり、
微分回路２４が増幅器１６とバンドパスフィルタ２３間
に設けられている０実際の運転環境においては、誘電率
の変動は５〜２０Ｈｚの比較的高い周波数で発生するの
に対し、間隔の変動はこれよりかなり遅い速度で起こる
０これは第６図の例からもわかる。したがって、上記微
分回路２４は、誘電率の変動に基づくような速い信号変
動に対してはこれを通過させて増幅器１６の入力に送る
が、間隔の変化に基づくゆっくりした変動に対してはこ
れをしゃ断する。したがって、誘電率の変化に基づく干
渉信号については負帰還がかかり、一方間隔の変化を示
す信号には負帰還はかからず増幅器１６により増幅され
ることになる。
第９図には、加工品６の切断にレーザー（図示せず）を
用いるツール１を示しである。本ツール１において、レ
ーザービームは端部２６の貫通孔２５を通って加工８乙
に照射される。この端部２６はセラミックリング２７を
介することによつて管状のケース２８に対して絶縁した
状態で固定されている。電源ライン２９はセラミック部
材２７を通して与えられろ。端部２６は銅製であり、絶
縁構造であるため加工品３との間に測定キャパシタンス
ＣＭが形成される。補償電極６（図示せず）の配置は第
４図に示すのと同様であり、セラミックリング２７と同
軸に、加工品６との間隔が端部２６よυ大きくなるよう
に配置される。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の特徴を備える測定装置の構成図、 第２図は変形例としての電極の詳細図、第６図は第２図
の縦断面図、 第４図は電極のさらに別の変形例を示す図、第５図はさ
らに補償電極を変えた場合の電極構成図、 第６図は第１図の回路の特定の場所における信号の波形
図、 第７図は容量式のブリッジ回路を用いた場合の測定構成
図、 第８図は２つのバンドパスフィルタと微分回路を用いた
場合の測定構成図、 第９図はツールに一体化した測定電極を示す図である。 １：ツール　６：加工品　ａ：ツール／加工品間隔　５
：測定電極　６：補償電極　９，１０：発振器　１３，
１４：弁別器　１５：反転回路１６：増幅器　１７　、
１８　、　ＣＭとＣＫ（漉７図）ニブリッジ回路　１９
：発振器　２２　、２３　：バンドバスフィルタ　２４
：微分回路　２６：ツール端部（測定電極）　２７：セ
ラミックリング（外５名）

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１）溶接、炎切断、プラズマ切断等のために材料を溶
    かし、燃焼させ、または蒸発させる熱加工ツールの熱発
    生領域に設けた容量測定電極を用いて加工品と上記ツー
    ル間の間隔を非接触測定する測定装置において、さらに
    上記ツールの熱発生領域に、測定電極のキャパシタンス
    と異なる間隔依存性のキャパシタンスを生じるような構
    造および／または加工品との間隔をもつ補償電極を配置
    し、この補償電極より得た間隔信号を測定電極より得た
    測定信号に対して逆極性に結合させることを特徴とする
    測定装置。 （２）特許請求の範囲第１項記載の測定装置において、
    上記補償電極と測定電極の夫々を対応ＬＣ回路の周波数
    変化要素として使用し、各ＬＣ回路の出力信号について
    その周波数変化を夫々、直流の測定信号と直流の補償信
    号に変換する変換手段を接続し、両直流信号に負帰還を
    かける手段を設けたことを特徴とする測定装置。 （３）特許請求の範囲第２項記載の測定装置において、
    前記ＬＣ回路は各発振器の周波数決定要素であることを
    特徴とする測定装置。 （４）特許請求の範囲第３項記載の測定装置において、
    前記変換手段を弁別器で構成したことを特徴とする測定
    装置。 （５）特許請求の範囲第１項記載の測定装置において、
    前記補償電極と測定電極をブリッジ回路の対向するアー
    ム上に配置し、ブリッジ回路内のキャパシタンスの同様
    の変動に対して補償が行なわれるようにしたことを特徴
    とする測定装置。 （６）特許請求の範囲第２項記載の測定装置において、
    前記の各ＬＣ回路を対応する弁別器の要素としたことを
    特徴とする測定装置。 （７）特許請求の範囲第１項から第６項のいずれかに記
    載の測定装置において、補償信号のうちから擾乱信号を
    除去する微分手段を設けたことを特徴とする測定装置。 （８）特許請求の範囲第１項から第７項のいずれかに記
    載の測定装置において、前記測定電極と補償電極をツー
    ルのまわりを囲む環状電極で構成したことを特徴とする
    測定装置。（９）特許請求の範囲第８項記載の測定装置
    において、補償電極の外径を測定電極の外径より大きく
    したことを特徴とする測定装置。 （１０）特許請求の範囲第８項記載の測定装置において
    、前記補償電極をツールのまわりを囲む円筒状となし、
    ツールを接地し、補償電極とツール間に少なくとも一部
    が下方に開放した環状の空間が形成されるようにしたこ
    とを特徴とする測定装置。 （１１）特許請求の範囲第８項から第１０項のいずれか
    に記載の測定装置において、前記補償電極の少なくとも
    一方をツールのまわりに配置される中抜きのディスク状
    となし、ツールより外方に延びるディスク面とツール縦
    軸との成す角度を９０度より小さくしたことを特徴とす
    る測定装置。 （１２）特許請求の範囲第１１項記載の測定装置におい
    て、ディスク面の傾斜角を７５度以下とし、好ましくは
    ７５度から４５度の間としたことを特徴とする測定装置
    。 （１３）特許請求の範囲第１項から第１０項のいずれの
    測定装置に適用される電極と一体のツールにおいて、加
    工品と対向する方の一端に端部を設け、この端部をツー
    ル本体から絶縁し、および／またはツールをアースから
    絶縁して低キャパシタンスを形成し、この端部を測定電
    極と成したことを特徴とする測定装置。 （１４）特許請求の範囲第１３項記載のツールにおいて
    、端部を絶縁体を介してツール本体に固定したことを特
    徴とするツール。 （１５）特許請求の範囲第１４項記載のツールにおいて
    絶縁体をセラミック部材で構成したことを特徴とするツ
    ール。
JP61026661A 1985-02-08 1986-02-08 容量式測定電極を有する測定装置 Granted JPS61182880A (ja)

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EP (1) EP0191000B1 (ja)
JP (1) JPS61182880A (ja)
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