DE2717966B2 - Längenmeßeinrichtung - Google Patents

Description

der Schirm 4, als einziger beweglicher Teil, durch Kontakt oder bewegliche Leitung 5 auf unkritischem Nullpotential sein muß, wobei die bewegliche Leitung z. B. eine Rückstellfeder sein kann.

Die Elektrode 1 wird durch eine konstante Wechselspannung V_n Referenzwechselspannung genannt, und die Elektrode 2 durch eine veränderbare Wechselspannung Vm, Meßwechselspannung genannt, erregt. Dabei wird die N/k£wechselspannung v_m durch unten beschriebene elektronische Mittel so variiert, daß die auf der gemeinsamen Elektrode 3 induzierte Wechselspannung Vo zu Null wird. In diesem Fall ist die Summe der von der Elektrode 3 fließenden kapazitiven Ströme gleich Null, also:

hm + >cr = 0

so daß bei Wechselspannungen gleicher Art und Frequenz geschrieben werden kann:

+ I'm ■ <r = O

Pm = -

Dadurch steht v_m in einem linearen Verhälnis zur Verschiebung X, weil ja die Meßkapazität C_n, der Verschiebung X proportional ist. Außerdem haben Änderungen der dielektrischen Kontante keinen Einfluß, sofern C_mund C_r dasselbe Dielektrikum, z. B. Luft, aufweisen.

Mit der beschriebenen Anordnung der Elektroden ergibt sich auch die Möglichkeit, auf einfache Art die Empfindlichkeit des Meßwertaufnehmers zu eichen, indem man die Referenzkapazität C_r z. B. mittels einer Einstellschraube 6 abgleicht und damit das Verhältnis der Spannungsänderung zur Längenänderung verändert. Dies ergibt die Möglichkeit, verschiedene Meßwertaufnehmer abwechslungsweise auf eine gemeinsame elektronische Auswerteeinheit zu schalten ohne jedesmal nachzueichen.

Um eine einwandfreie Arbeitsweise einer erfindungsgemäßen Längenmeßeinrichtung zu sichern, muß natürlich die auf einer gemeinsamen Elektrode induzierte Spannung v_o nur von den durch den Kondensatoren C_n, und C_r wirkenden Spannungen v_r und v,„ erzeugt werden. Das heißt, daß die Leitung, die v_o vom Meßwertaufnehmer zur übrigen Elektronik überträgt, sorgfältig von den Leitungen, die die Erregerspannungen v_r und V_n, führen, abgeschirmt werden muß. Eine bessere und billigere Lösung besteht darin, im Meßwertaufnehmer einen einfachen Impedanzwandler 10 unterzubringen. Die Ausführung eines solchen Impedanzwandlers ist bekannt und stellt keine besonderen Probleme dar, da der Verstärkungsfaktor hier unkritisch ist. Es können sich dennoch, auch bei kleiner Impedanz nach dem Impedanzwandler 10 Kopplungen von den Erregerwechselspannungen v_r und v„, auf die ausgangsseitige Spannung vd auswirken, was bei sinusförmigen Spannungen zu störenden Phasenverschiebungen führt.

Sind aber die Erregerspannungen v_rund v„, Rechteckspannungen, werden sich die unerwünschten Kopplungen und Verzögerungen als Transienten bemerkbar machen. Diese Transienten werden von den Flanken der Rechteckwellen erzeugt unti klingen ab, so daß nach einer bestimmten Einschwingzeit ihre störende Wirkung vernachlässigbar wird. Es genügt also, während dieser Einschwingzeit, die erregte Spannung v_u nicht zu berücksichtigen.

Dies wird z. B. durcn die in F i g. 2 gezeigte Elektronik erreicht. Die Spannung vo des Impedanzwandler 10 wird an den Eingangsverstärker 14 gelegt, welcher das Signal auf einen für die weitere Verarbeitung geeigneten Pegel verstärkt. Dazu sei bemerkt, daJ es günstig ist, diesen Eingangsverstärker 14 als Strom-Spannungswandler auszulegen, und somit die eingangsseitige Impedanz praktisch auf Null zu reduzieren. So werden auf der Leitung die Transienten unterdrückt und eine damit verbundene Störung durch eventuelle Rückkopplung durch den Impedanzwandler 10 auf dessen Eingang verhindert.

Ein Oszillator 13 erzeugt eine Rechteckwelle v_oic deren Flanken im zeitlichen Spannungsdiagramm der F i g. 3 die Zeitpunkte foi, ki, fn und U₂ definieren. Diese Rechteckwelle v_osc wird durch ein Verzögerungsglied 12 an einen Fequenzteiler 13 gekoppelt, so daß am Ausgang dieses Frequenzteilers, oder »Flip-Flop«, eine, gegenüber v_oic zeitlich leicht verschobene Rechteckwelle halber Frequenz entsteht. Diese Rechteckwelle wird als Referenzwechselspannung v_r gebraucht, wobei natürlich vorausgesetzt ist, daB deren Amplitude konstant ist. Dies ist durcn die Wahl einer Logik, deren Ausgangspegel gut definiert ist, z. B. bei CMOS, der Fall. Die Meßwechselspannung v_m wird durch Hin- und Herschalten zwischen einer, später zu definierenden Meßgleichspannung V_nh und einem konstanten Potential, hier die Masse, erzeugt. Der betreffende elektronische Umschalter 18, wird von der Referenzwechselspannung v_r gesteuert und ist so beschaltet, daß die so generierte Meßwechselspannung v„, gegenüber der Referenzwechselspannung v_r um 180° phasenverschoben, respektive invertiert ist. F i g. 3 zeigt die Phasenzusammenhänge zwischen der Oszillatorspannung v_l)Sl, und den beiden Spannungen v_r und v_w Die Flanken der Referenzwechselspannung v_r sind durch die Zeitpunkte too, ίιο, (20, dargestellt. Die Flanken der Meßwechselspannung v„, konzidieren auch annähernd mit diesen Zeitpunkten. Wären die beiden Wechselspannungen \>_r und v,„ perfekte, genau um 180° phasenverschobene Rechteckspannungen und gäbe es keine Kopplungen, könnte die auf der gemeinsamen Elektrode 3 (Fig. 1) erhaltene Wechselspannung v„ durch geeignete regelungstechnisc'.ie Maßnahmen genau auf Null eingestellt werden. Dann wäre, wie weiter oben bewiesen wurde, die Meßwechselspannung v_nh und daher auch die Meßgleichspannung V„„ in einem linearen Verhältnis zu der zu messenden Verschiebung X. Da diese idealen Bedingungen nicht eingehalten werden können, erscheinen auf der induzierten Wechselspannung v„ Transienten um die Schaltzeitpunkte fao, iio. ?2o· Um diese Transienten zu unterdrücken, wird zwischen dem Eingangsverstärker 14 und dem Synchrondemodulator 16 ein dem Eingangsverstärker 14 und dem Synchrondemodulator 16 ein Transientenunterdrücker 15 eingeschaltet. Dieser Transientenunterdrücker ist im einfachsten Fall ein elektronischer Schalter, der von der Spannung v„_u- gesteuert wird, und zwar so, daß der Schalter unmittelbar vor Erscheinen des Transienten (z.B. io2 in Fig.3) bis zu dessen Abklingen auf einen unbedeutenden Wert (7n) gesperrt bleibt. Weil ja die Spannung v„_u dank dem Verzögerungsglied 12 gerade vor den Flanken der Spannungen v_r und v_m den Pegel, der dem gesperrten Zustand entspricht, annimmt, und ihn genügend lange behält, wird dem symchronen Demodulator 16 ein von Transienten befreites Signal

zugeführt. Das hat den Vorteil, daß, genau wie im idealen Fall, das Signal durch einen Regelteil auf den theroretisch richtigen Nullwert eingestellt wird. In vorliegendem Beispiel besteht dieser Regelteil aus einem einfachen, dem Demodulator 16 nachgeschalteten Integrator 17: Weicht das demodulierte Signal von Null ab, so ändert sich stetig die Ausgangsspannung V_m des Integrators in Funktion der Amplitude und der Polarität des demodulierten Signals. Da die besagte Ausgangsspannung die Meßgleichspannung V,„ ist, ändert sich die Meßwechselspannung v„, dementsprechend, und zwar bis die am Eingang des Integrators liegende Spannung Null erreicht. Die so erhaltene Meßgleichspannung steht dann im linearen Verhältni; zur Verschiebung X und ist deshalb als Meßgleichspan nung dieser Verschiebung X verwendbar.

Die Verschiebung X kann nun durch ein an die Meßgleichspannung V_m angelegtes, analoges odei digitales Voltmeter abgelesen oder aber weiterverarbei tet werden.

Hierzu 1 BIaIt Zcichnimucn

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Längenmeßeinrichtung, bestehend aus einem Referenzkondensator und einem Meßkondensator, dessen Kapazität linear mit der zu messenden Verschiebung eines Teils dieses Kondensators veränderbar ist wobei die beiden Kondensatoren eine gemeinsame Elektrode haben und auf die anderen Elektroden der beiden Kondensatoren ι ο Spannungen unterschiedlicher Amplituden derart eingeprägt werden, daß die auf der gemeinsamen Elektrode abgegriffene Spannung Null ist, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) Die Kapazität des Refererzkondensators (Cr) ist konstant;

b) die Spannung (Vm), die auf den Referenzkondensator (Cr) gegeben wird, ist gegenüber der Spannung (Vr), die auf den Meßkondensator (Cm) gegeben wird, um 180° phasenverschoben;

c) die Amplitude der Spannung (Vm), die auf den Referenzkondensator (Cr) gegeben wird, wird

so verändert, daß die Spannung (Vo) der ^2> gemeinsamen Elektrode (3) Null ist und die eingestellte Größe der Amplitude der Spannung (Vm) ein Maß für den Meßwert darstellt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- jo zeichnet, daß die Wechselspannungen (Vm, Vr) Rechteckspannungen sind, wobei die Referenzwechselspannung (Vr) durch Hin- und Herscha!.ten zwischen zwei konstanten Gleichspannungen und die Meßwechselspannung (Vm) durch Hin- und r> Herschalten zwischen einer konstanten Gleichspannung und einer veränderbaren Meßgleichspanm.ng erzeugt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgleichspannung durch elektronische Mittel so variiert wird, daß die auf der gemeinsamen Elektrode (3) induzierte Spannung, abgesehen von bei jeder Umschaltung erzeugten transienten Spannungen, zu Null wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Mittel aus einem Transientenunterdrücker (15), einem Synchrondemodulator (16) und einem Integrator (17) bestehen.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Meßkondensators (Cm) durch mindestens einen, zwischen den Elektroden (1, 3) eingeschobenen, geerdeten Schirm (4) geändert wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkondensator (Cm) aus zwei koaxialen zylindrischen Elektroden (1, 3) besteht, und daß ein koaxialer zylindrischer Schirm (4) axial zwischen diese Elektroden (1, 3) einschie:bbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Meßwertaufnehmer eingeba.uter Impedanzwandler (10) eingangsseitig an die gemeinsame Elektrode (3) und ausgangsseitig an die übrige Elektronik angeschlossen ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Längenmeßeinrichtung, bestehend aus einem Referenzkor.densator und einem Meßkondensator, dessen Kapazität linear mit der zu messenden Verschiebung eines Teils dieses Kondensators veränderbar ist, wobei die beiden Kondensatoren eine gemeinsame Elektrode haben und auf die anderen Elektroden der beiden Kondensatoren Spannungen unterschiedlicher Amplituden derart eingeprägt werden, daß die auf der gemeinsamen Elektrode abgegriffene Spannung Null ist

Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art (DE-AS 22 18 824), bei der die gemeinsame Elektrode gegenüber den beiden anderen Elektroden verschoben wird, ändert sich bei dieser Verschiebung auch die Kapazität des Referenzkondensators. Die beiden anderen Elektroden werden mit zwei unterschiedlichen Referenzgleichspannungen einerseits und mit einer weiteren Spannung, die zugleich die Anzeigespannung ist, beaufschlagt, wobei diese weitere Spannung derart variiert wird, daß die auf der gemeinsamen Elektrode induzierte Spannung Null wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Einrichtung in elektrischer Hinsicht zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vereinigung folgender Merkmale gelöst:

a) Die Kapazität des Referenzkondensators ist konstant;

b) die Spannung, die auf den Referenzkondensator gegeben wird, ist gegenüber der Spannung, die auf den Meßkondensator gegeben wird, um 180° phasenverschoben;

c) die Amplitude der Spannung, die auf den Referenzkondensator gegeben wird, wird so verändert, daß die Spannung der gemeinsamen Elektrode Null ist und die eingestellte Größe der Amplitude ein Maß für den Meßwert darstellt.

Während man bei dem bekannten Verfahren drei Spannungen benötigt, sind bei dem anmeldungsgemäßen Verfahren nur zwei Spannungen erforderlich. Dadurch e.-gibt sich eine Vereinfachung.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Längenmeßeinrichtung ist in den F i g. 1 bis 3 dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 den schematischen im Schnitt gezeichneten Aufbau eines Meßwertaufnehmers,

F i g. 2 das prinzipielle Schema einei Auswerteelektronik,

Fig.3 die zeitlichen Spannungsverläufe in dem elektronischen Teil gemäß F i g. 2. »

Wie in Fig. 1 gezeigt, bilden die zylinderförmigen Elektroden 1 und 3 einen Meßkondensator C_n, und die ebenfalls zylinderförmigen Elektroden 2 und 3 einen Referenzkondensator C_r. Während der Referenzkondensator Cr konstant bleibt, wird der Meßkondensator C_1n durch die zu messende Verschiebung X linear verändert. Die Änderung kann auf verschiedene Weise erzielt werden, zum Beispiel durch relatives Verschieben der Elektroden 1 und 3, oder, wie es in F i g. 1 dargestellt ist, durch Einschieben eines Schirmes 4, entsprechend der zu messenden Verschiebung X, der somit einer dieser Verschiebung proportionale Kapazitätsänderung bewirkt. Letztere Methode hat zwei Vorteile: erstens ist der so gebaute Meßwertaufnehmer auf Führungsfehler des Schirmes weitgehend unempfindlich, dies vor allem bei einem zylindrischen Aufbau wie in F i g. 1 gezeigt, und zweitens sind die elektrischen Anschlüsse an die Elektroden 1, 2 und 3 fest, während