DE1295198B

DE1295198B - Messvorrichtung zum beruehrungslosen Erfassen des Abstandes einer kapazitiven oder induktiven Messsonde von der Oberflaeche eines zu messenden und sich relativ zur Messsonde drehenden Gegenstandes

Info

Publication number: DE1295198B
Application number: DEM63897A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1964-01-22
Filing date: 1965-01-22
Publication date: 1969-05-14
Also published as: FR85705E; DE1623783A1; US3413542A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zum berührungslosen Erfassen des Abstandes einer kapazitiven oder induktiven Meßsonde von der Oberfläche eines zu messenden und sich relativ zur Meßsonde drehenden metallischen oder dielektrischen Gegenstandes mit Einrichtungen zur Erzeugung eines abstandsproportionalen Meßsignals und wenigstens eines mit der Drehzahl synchronisierten und als Bewertungsgröße dienenden Bezugssignals sowie Einrichtungen zur multiplikativen Mischung von Meßsignal und Bezugs signal, deren Ausgangssignal proportional dem Mittelwert des Produkts aus dem Meßsignal und dem jeweiligen Bezugssignal ist.
Es ist bereits eine derartige Meßvorrichtung bekannt, die mit einer multiplikativen Mischung von Meßsignal und Bezugssignalen sowie einem Vergleich der erhaltenen Mittelwerte arbeitet und zur Erzeugung der die gewünschten Koordinatenachsen darstellenden B ezugssignale einen Spannungsgenerator aufweist, dessen Pole mit den Koordinatenachsen ausgerichtet sind. Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht vor allem darin, daß die Größe der mittels des Generators erzeugten Bezugsspannung proportional zur Drehgeschwindigkeit des Generators ist und daß diese Bezugsspannung nahezu den Wert Null erreicht, wenn sich der Generator, der synchron mit dem sich drehenden Teil der Meßvorrichtung umläuft, langsam dreht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die unabhängig von Änderungen der Umdrehungsgeschwindigkeit arbeitet und sogar bei quasistationärem Betrieb Messungen gestattet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung zur Bezugssignalerzeugung aus einem mit dem sich drehenden Teil der Meßvorrichtung synchron umlaufenden Organ besteht, das bei jeder Umdrehung eine die Lage der Bezugssignale bezüglich des Gegenstandes angebende Ausgangsgröße konstanter Amplitude liefert und eine von dem abstandsproportionalen Meßsignal gespeiste Schaltungsanordnung ansteuert.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird ein von der Drehgeschwindigkeit des rotierenden Teils der Meßrichtung unabhängiges Bezugssignal geschaffen, wobei an Stelle störungsanfälliger, komplizierter elektrischer Einrichtungen einfach aufgebaute elektromechanische Schaltungen verwendet werden können und es auf Grund der Vermeidung eines zur Bezugsspannungserzeugung dienenden Generators nicht mehr unbedingt erforderlich ist, daß die Achse der Meßvorrichtung zugänglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Meßvorrichtung besteht das umlaufende Organ aus zwei um 900 versetzte Schleifer zweier Sinus-bzw. Kosinus-Potentiometer oder zweier leitender Sektoren.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das sich mit der Meßvorrichtung synchron drehende Organ aus einem photoelektrischen Abnehmer besteht, der ein aus bistabilen Kippstufen bestehendes Schaltelement steuert.
Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Einrichtungen zur Meßsignal-und Bezugssignalgewinnung auf einer gemeinsamen Drehachse angeordnet, und beide Signale werden mittels emer einzigen Antenne mit Richtdiagramm zu dem stationären Teil der Einrichtung übertragen.
Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 die Meßvorrichtung bei Festlegung der Bezugssignale durch die Winkelstellungen der Schleifer zweier Potentiometer, F i g. 2 die Meßvorrichtung bei Ableitung der Bezugssignale durch die umlaufenden Kontakte zweier leitender Sektoren, F i g. 3 die Meßvorrichtung bei Ableitung der Bezugssignale durch photo elektrische Abnehmer, F i g. 4 die Meßvorrichtung bei Ableitung des Bezugssignals durch das Strahlungsdiagramm einer Richtantenne.
In Fig. 1 ist eine kapazitive Meßsonde 1 dargestellt, welche sich in bezug auf einen metallischen oder dielektrischen Gegenstand 3 um eine Achse 2 dreht. Die Änderung der Kapazität zwischen der Sonde 1 und dem Gegenstand 3 ruft eine Modulation der Frequenz eines Miniatursenders 4 hervor. Diese Frequenz wird durch eine Antenne 5 kapazitiver oder magnetischer Art abgestrahlt. Eine Empfangsantenne 6 nimmt das modulierte Signal auf, das in einem Empfänger 7 verstärkt wird. Dieser Empfänger weist in dem betrachteten Fall einer Frequenzmodulation einen Amplitudenbegrenzer auf. Das Signal wird dann in einem Diskriminator 8 demoduliert. Das auf diese Weise erhaltene Signal wird dann in einem Niederfrequenzverstärker 9 verstärkt, dessen minimale Frequenz der Drehzahl der Sonde 1 entspricht.
An den Verstärker 9 ist ein Transformator 10 mit zwei Sekundärwicklungen angeschlossen, welche zwei Sinus- bzw. Kosinus-Potentiometer 11 X, 11 Y speisen, deren Schleifer mit dem rotierenden Gegenstand gekuppelt sind und welche zwei Meßkreise 13 X, 13 Y mit Anzeigeinstrumenten 15 X, 15 Y speisen.
Die beiden Schleifer der Potentiometer sind um 900 versetzt. Am Ausgang der beiden Potentiometer erscheint dann in analoger Weise wie bei einem Gleichlauf-Diskriminator bekannter Art ein mittleres Signal, das nach Filterung in den Meßkreisen 13 X, 13 Y proportional den mittleren Abweichungen der Kapazität zwischen Sonde 1 und Gegenstand 3 in bezug auf die beiden orthogonalen Achsen ist, wobei die Bezugsachsen durch die Winkelstellungen der Schleifer der Potentiometer 11 X, 11 Y bezüglich des rotierenden Gegenstandes festgelegt sind. Man erhält somit eine sinusförmige Bewertung, und die Mittelwerte der Signale werden durch Mikro-Amperemeter 15 X, 15 Y angezeigt.
An Stelle der Sinus-Kosinus-Potentiometer können Hall-Effekt-Potentiometer, Drehwandler vom Typ der »Funktionsdrehmelder« usw. verwendet werden.
Es ist auch möglich, die Sinus-Kosinus-Funktion durch einfache, eine »Dreiecks«-Bewertung liefernde lineare Potentiometer anzunähern.
Fig. 2 stellt eine abgewandelte Ausführungsform dar, bei der die Bezugssignale durch die umlaufenden Kontakte zweier leitender Sektoren gebildet werden.
Die beiden Sekundärwicklungen X, Y eines Transformators sind an die Eingangsklemmen der beiden Bewertungsorgane 17 X, 17 Y mit umlaufenden Kontakten angeschlossen. Die festen Teile dieser Bewertungsorgane sind auf zwei leitende Sektoren reduziert. Ihre umlaufenden Kontakte sind gegeneinander um 900 versetzt und mit dem rotierenden Teil gekuppelt. Die Sektoren erstrecken sich im wesentlichen über die Hälfte des Umfangs des jeweiligen Bewertungsorgans. Es ist offensichtlich, daß dadurch eine konstante Bewertung bzw. eine Bewertung 1 1 erhalten wird. Das Bewertungsorgan ist somit auf einen einfachen Umschalter reduziert.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Ableitung der Bezugssignale durch photoelektrische Abnehmer. Die Bezugsspannungen werden dabei direkt mittels elektronischer Schaltungen erhalten, die mit dem rotierenden Teil synchronisiert sind. Die Meßanordnung ist mittels einer sehr vereinfachten direkten Verbindung an einen magnetischen Abnehmer 19 angeschlossen, der um eine Achse 2 läuft. Dieser Abnehmer wirkt als Selbstinduktivität, die in Abhängigkeit von dem Spalt zwischen sich selbst und dem Gegenstand 3 veränderlich ist. Der magnetische Abnehmer ist mit dem Schwingkreis eines Oszillators 20 verbunden und bildet einen Teil desselben. Die Frequenz des Oszillators wird sich also entsprechend ändern.
Diese Frequenz wird wie bei den vorangegangenen Ausführungsformen in dem Diskriminator 8 demoduliert, und das Niederfrequenzsignal wird bei 9 verstärkt. Die beiden Sekundärwicklungen X, Y des Transformators 10 speisen zwei bekannte, aus Dioden aufgebaute Gleichlauf-Diskriminatoren 12 X, 12 Y.
Die Bezugsspannungen sind in diesem Fall von einem photoelektrischen Abnehmer abgeleitet. Eine Glühlampe 21 mit geeigneter Optik liefert einen Lichtstrahl, welcher durch Spiegel 22 reflektiert wird, die mit 900 bezüglich der Drehachse 2 angeordnet sind. Der viermal pro Umdrehung reflektierte Strahl wird von einer Photozelle 23 aufgenommen, welche ihrerseits einen bistabilen Multivibrator 24 steuert.
Die beiden Ausgänge dieser Schaltung steuern je einen weiteren bistabilen Multivibrator 25 bzw. 26, deren Ausgänge jeweils mit den Steuereingängen der Diskriminatoren 12 X, 12 Y verbunden sind. An den Ausgängen dieser Schaltungen treten somit während der Durchgänge eines Bezugspunktes des rotierenden Teils in Winkelintervallen von 0 bis 1800 und von 90 bis 2700 Rechteckspannungen auf, die direkt als Bezugsspannungen X, Y dienen.
An Stelle der vier Spiegel können auch vier Glühlampen verwendet oder durch ein photoelektrisches Verfahren mittels zwei oder vier Photozellen direkt die Eingänge der bistabilen Stufen 25 und 26 angesteuert werden. An Stelle des photoelektrischen Abnehmers können auch kapazitive oder magnetische Abnehmer verwendet werden.
An Stelle von Multivibratoren können auch synchronisierte Oszillatoren verwendet werden.
Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 ist auf dem sich um die Achse 2 drehenden Organ gegenüber dem Gegenstand 3 eine kapazitive Sonde 1 angeordnet, welche die Sendefrequenz eines Senders 4 steuert, der eine in einer senkrecht auf der Achse 2 stehenden Ebene angeordnete Antenne 27 magnetischer Bauart umfaßt. Gegenüber dieser Antenne und in der gleichen Ebene sind zwei Empfangsantennen 28 X und 28 Y in bezüglich der Achse 2 um 900 versetzten Winkelstellungen angeordnet.
Diesen beiden Antennen sind jeweils zwei parallele Empfangskanäle 7 X, 7 Y sowie Diskriminatoren 8 X, 8 Y für die betreffende Frequenz zugeordnet. Am Ausgang dieser Diskriminatoren werden die ge- messenen Signale am Eingang des Verstärkers 9 wieder vereinigt. Vom Ausgang dieses Verstärkers gelangen die Signale zum Transformator 10, der die Gleichlauf-Diskriminatoren 12 X, 12 Y speist. Die an diese Diskriminatoren angelegten Spannungen werden jeweils von den Empfängern 7 X, 7 Y selbst abgeleitet, und zwar über Umformungseinrichtungen 29 X, 30 X, 29 Y, 30 Y, welche aus einem MF-Verstärker mit einem Detektor und einem geeigneten, z. B. bistabilen Kreis bestehen.
Es ist bekannt, daß eine magnetische Sendeantenne, wie die Antenne 27, ein Richtdiagramm mit zwei sich gegenüberliegenden Keulen aufweist, welche von den Antennen 28 X und 28 Y mit einer geometrischen Verschiebung von 900 und einer zeitlichen Verschiebung, welche einem Viertel der Umlaufperiode der Achse 2 entspricht, empfangen werden.
Die Anzeigemittel 15 X, 15 Y können auch am Ausgang der entsprechenden Empfangswege angebracht werden, wobei die Bewertungsfunktionen dann durch das Zusammenwirken der Richtdiagramme der umlaufenden Sendeantenne einesteils und der entsprechenden Empfangsantennen andererseits bestimmt sind.

Claims

Patentansprüche: 1. Meßvorrichtung zum berührungslosen Erfassen des Abstandes einer kapazitiven oder induktiven Meßsonde von der Oberfläche eines zu messenden und sich relativ zur Meßsonde dreh enden metallischen oder dielektrischen Gegenstandes mit Einrichtungen zur Erzeugung eines abstandsproportionalen Meßsignals und wenigstens eines mit der Drehzahl synchronisierten und als Bewertungsgröße dienenden Bezugssignals, sowie Einrichtungen zur multiplikativen Mischung von Meßsignal und Bezugssignal, deren Ausgangssignale proportional dem Mittelwert des Produkts aus dem Meßsignal und dem jeweiligen Bezugssignal ist, dadurch gekennzeichn e t, daß die Einrichtung zur Bezugssignalerzeugung aus einem mit dem sich drehenden Teil der Meßvorrichtung synchron umlaufenden Organ besteht, das bei jeder Umdrehung eine die Lage der Bezugssignale bezüglich des Gegenstandes (3) angebende Ausgangsgröße konstanter Amplitude liefert und eine von dem abstandsproportionalen Meßsignal gespeiste Schaltungsanordnung (11X, 11 Y ; 12 X, 12 Y ; 17X, 17 Y) ansteuert.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das umlaufende Organ aus zwei um 900 versetzte Schleifer zweier Sinus-bzw. Cosinus-Potentiometer (11 x, 11 Y) oder zweier leitender Sektoren (17 X, 17 Y) besteht.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sich mit der Meßvorrichtung synchron drehende Organ aus einem photoelektrischen Abnehmer (22, 23) besteht, der ein aus bistabilen Kippstufen bestehendes Schaltelement (24, 25, 26) steuert.
4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Meßsignal- und Bezugssignalgewinnung auf einer gemeinsamen Drehachse (2) angeordnet sind und beide Signale mittels einer einzigen Antenne (27) mit Richtdiagramm zu dem stationären Teil der Einrichtung übertragen werden.
5. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes eine bestimmte Richtung festlegende Bezugssignal ein eigener Kreis (29 X, 30X, 12X ; 29 Y, 30 Y, 12 Y) zur multiplikativen Mischung mit dem Meßsignal vorgesehen ist.