DE3916959A1

DE3916959A1 - Measurement transducer for lengths or spacings in micrometer range

Info

Publication number: DE3916959A1
Application number: DE19893916959
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Ing Doemens; Markus Dipl Ing Gilch
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1989-05-24
Filing date: 1989-05-24
Publication date: 1990-11-29

Abstract

The length or spacing to be measured which is in the micrometre range is made the spacing of the plates of an electrical capacitor assembly. Subsequent measurement with the length-analogue capacitance gives the required parameter value. The basic relationship on which the transducer action depends is: C = k.A / [d + dx] where the measured distance and its variable component are d and dx, with A the area of the transducer capacitor, k the electric permittivity and C the measured capacitance. It follows that the measured distance is always smaller than the basic interplate spacing. In practical realisation the capacitor structure takes the form of two electrodes, (Es1, Es2), which are each an assembly of a multiplicity of parallel plates, (E1,E2), meshing with each other, mounted on plates of insulating material (e.g. PTFE) (Ts1,Ts2). The total capacitance results from the parallel connection of individual plates to form N pairs, with the capacitance calculated from the expression above by introduction of a multiplying factor N. In measurement of shaft displacement clamping rings are placed about the shaft with an intermediate insulating layer for electrical isolation. The capacitor sections (E1,E2) are mounted on the rings whose axial spacing determines the capacitor plate meshing while any peripheral displacement corresponds to the plate spacing.

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßaufnehmer mit kapazitivem Wandler zur Erfassung des Torsionsweges bei der berührungs losen Messung von Drehmomenten an rotierenden Wellen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a transducer with capacitive Transducer for detecting the Torsionsweges in the contact loose measurement of torques on rotating shafts according to Preamble of claim 1.

Ein derartiger Meßaufnehmer ist Gegenstand der älteren Patent anmeldung P 38 27 301.2. Bei dem dort beschriebenen Meßauf nehmer ist eine mechanisch-elektrische Meßgrößenumformung vor gesehen, bei welcher eine verstellbare Meßkapazität entspre chend dem zu erfassenden Torsionsweg direkt verändert wird und eine verhältnisgleiche Kapazitätsänderung als Ausgangsgröße erzeugt. Die Meßkapazität wird durch zwei relativ zueinander verstellbare Elektrodenstrukturen gebildet, wobei die parallel zueinander ausgerichteten Elektroden beider Elektrodenstruktu ren abwechselnd angeordnet sind und somit parallel geschaltete Elektrodenpaare bilden. Entscheidend ist dabei, daß die beiden Elektrodenstrukturen stark unsymmetrisch zueinander angeordnet sind, so daß die Elektrodenabstände der Elektrodenpaare gering sind gegenüber den Abständen zwischen den Elektroden benach barter Elektrodenpaare und somit auch die durch die Elektroden benachbarter Elektrodenpaare gebildeten Kapazitäten vernach lässigbar gering sind. Die Gesamtkapazität ergibt sich demnach nur aus der Summe der durch die Elektrodenpaare gebildeten Ein zelkapazitäten. Aufgrund der geschilderten unsymmetrischen An ordnung wird dann eine Änderung des Torsionsweges Δ x in eine KapazitätsänderungSuch a transducer is the subject of the earlier patent application P 38 27 301.2. In the Meßauf described therein participants a mechanical-electrical Meßgrößenumformung is seen before, in which an adjustable measuring capacity accordingly the torsional path to be detected is changed directly and generates a proportional capacitance change as output. The measuring capacitance is formed by two electrode structures which can be adjusted relative to one another, wherein the electrodes, which are aligned parallel to one another, of both electrode structures are arranged alternately and thus form pairs of electrodes connected in parallel. It is crucial that the two electrode structures are arranged strongly asymmetrical to each other, so that the electrode distances of the electrode pairs are small compared to the distances between the electrodes neigh barter electrode pairs and thus the capacitances formed by the electrodes of adjacent pairs of electrodes negligible negligible. Accordingly, the total capacity results only from the sum of the individual capacitances formed by the electrode pairs. Due to the described asymmetric An order is then a change in the Torsionsweges Δ x in a change in capacitance

umgesetzt, wobei n die Anzahl der Elektroden der Elektroden strukturen, F die Fläche des Überdeckungsbereichs der Elek troden eines Elektrodenpaares, d 1 der Ausgangswert des Ab standes zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaares und ε° die Dielektrizitätskonstante ist. Es ist ersichtlich, daß sich die Fläche F und die Anzahl n der Elektroden multiplikativ auswirken und somit insbesondere bei einer Vielfachanordnung mit äußerst geringen Elektrodenabständen d 1 der Elektrodenpaare äußerst hohe Meßgenauigkeiten erzielt werden können.where n is the number of electrodes of the electrodes, F is the area of the coverage area of the electrodes of a pair of electrodes, d 1 is the initial value of the distance between the electrodes of a pair of electrodes and ε ° is the dielectric constant. It can be seen that the area F and the number n of the electrodes have a multiplicative effect and thus extremely high measuring accuracies can be achieved, in particular in a multiple arrangement with extremely small electrode spacings d 1 of the electrode pairs.

Entscheidende Vorteile des in der älteren Patentanmeldung P 38 27 301.2 beschriebenen Meßaufnehmers sind der äußerst geringe axiale Platzbedarf, eine hohe Überlastsicherheit, die Möglichkeit der Nachrüstung bei bereits vorhandenen Maschinen, die äußerst hohe Genauigkeit und die geringe Ansprechzeit, die auch ein Erfassen von Schwingungen ermöglicht. Andererseits kann jedoch ein Auftreten von auf die Welle einwirkenden Quer kräften oder Biegemomenten ebenfalls Änderungen der Meßkapa zität hervorrufen. Das bedeutet, daß in diesem Fall im Meß signal Drehmomente und Querkräfte bzw. Biegemomente überlagert sind.Decisive advantages of the in the earlier patent application P 38 27 301.2 described Meßaufnehmers are the ultimate low axial space requirement, high overload safety, the Possibility of retrofitting existing machines, the extremely high accuracy and the low response time, the also allows detection of vibrations. on the other hand However, an occurrence of acting on the shaft cross forces or bending moments also changes the Meßkapa cause it. This means that in this case in the measuring Signal torques and shear forces or bending moments superimposed are.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßaufnehmer der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß im Meßsignal die Einflüsse von auf die Welle einwirkenden Quer kräften und Biegemomenten vollständig eliminiert sind.The present invention is based on the object, a To improve the transducer of the type mentioned so that in the measuring signal the influences of acting on the shaft cross forces and bending moments are completely eliminated.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Meßaufnehmer durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved in a generic transducer the characterizing features of claim 1 solved.

Querkräfte und Biegemomente verursachen eine Verformung der Welle entsprechend der Biegelinie. Daraus resultiert normal zur Wellenachse eine Verschiebung der Relativlage der beiden Elek trodenstrukturen einer Kondensatoranordnung. Sofern diese Ver schiebung parallel zu den einander gegenüberliegenden Flächen der Elektrodenpaare verläuft, hat sie keinen wesentlichen Einfluß auf das Meßsignal. Verläuft die Verschiebung jedoch senkrecht zu den einander gegenüberliegenden Flächen der Elek trodenpaare, so wird eine deutliche Änderung des Elektroden abstandes und damit des gemessenen Torsionsweges bzw. Meß signals hervorgerufen. Eine Trennung bzw. Kompensation dieser Querkraft- und Biegemomenteinflüsse wird durch eine zweite, identische Kondensatoranordnung erreicht, die in bezug auf die Achse der Welle um einen Winkel von 180° verdreht zu der ersten Kondensatoranordnung angeordnet ist. Wirkt nun ein Drehmoment auf die Welle, so vergrößern sich die Elektrodenabstände der beiden verdreht angeordneten Kondensatoranordnungen im gleichen Maße und damit auch die Gesamtkapazitäten der beiden Kondensa toranordnungen. Bei Einleitung einer Querkraft oder eines Biegemomentes in die Welle verringert sich demgegenüber der Elektrodenabstand der einen Kondensatoranordnung, während sich gleichzeitig der Elektrodenabstand der anderen Kondensatoran ordnung in gleichem Maße vergrößert. Bei einer Reihenschaltung der Gesamtkapazitäten der beiden um einen Winkel von 180° ver dreht zueinander angeordneten Kondensatoranordnungen ergibt sich somit eine exakte Kompensation der Querkraft- und Biege momenteinflüsse, während die Meßkapazität als Maß des erfaß ten Torsionsweges unverändert bleibt.Transverse forces and bending moments cause a deformation of the Shaft according to the bending line. This results normal to Shaft axis a shift in the relative position of the two Elek electrode structures of a capacitor arrangement. If this Ver shift parallel to the opposite surfaces the electrode pairs runs, it has no essential Influence on the measuring signal. However, the shift is going on perpendicular to the opposite surfaces of the Elek pairs of electrodes, this causes a significant change in the electrodes distance and thus the measured Torsionsweges or Meß signal caused. A separation or compensation of this Transverse force and bending momentary influences is replaced by a second, identical capacitor arrangement achieved with respect to the Axle of the shaft rotated by an angle of 180 ° to the first Capacitor arrangement is arranged. Now acts a torque on the shaft, so increase the electrode distances of the both twisted arranged capacitor arrays in the same Dimensions and thus the total capacity of the two Kondensa gateway devices. When initiating a shear force or a Bending moment in the shaft is reduced in contrast to the Electrode distance of a capacitor assembly, while at the same time the electrode gap of the other capacitor order increased to the same extent. In a series connection the total capacity of the two by an angle of 180 ° ver rotates mutually arranged capacitor arrangements results thus an exact compensation of the lateral force and bending torque influences, while the measuring capacity as a measure of the detected Torsionsweges remains unchanged.

Gemäß einer Variante der Erfindung sind mindestens zwei wei tere, paarweise in bezug auf die Achse der Welle um Winkel von 180° verdreht zueinander angeordnete, identische Kondensator anordnungen vorgesehen, wobei weitere Meßkapazitäten durch Reihenschaltung der Gesamtkapazitäten einander zugeordneter Kondensatoranordnungen gebildet sind und wobei die Gesamt-Meß kapazität durch eine Parallelschaltung der einzelnen Meßkapa zitäten gebildet ist. Die exakte Kompensation der Querkraft- und Biegemomenteinflüsse wird auch hier jeweils durch die Reihenschaltung um Winkel von 180° verdreht zueinander an geordneter Kondensatoranordnungen ermöglicht.According to a variant of the invention, at least two white tere, in pairs with respect to the axis of the shaft by angles of 180 ° twisted to each other arranged, identical capacitor provided arrangements, with further measuring capacity by Series connection of the total capacities associated with each other Capacitor assemblies are formed and wherein the total measuring Capacity by a parallel connection of the individual Meßkapa is formed. The exact compensation of the lateral force and bending moment influences is also here by the Series connection by 180 ° angle to each other ordered capacitor arrangements allows.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfin dung sind zur Abnahme des Torsionsweges zwei auf der Welle im Abstand zueinander angeordnete Klemmringe vorgesehen, zwischen denen elastisch verformbare, geschlossene Rahmen zur Aufnahme jeweils einer Kondensatoranordnung angeordnet sind. Neben einer Verschiebung der beiden Klemmringe zueinander bewirken Quer kräfte und Biegemomente aufgrund der Biegelinie auch eine Winkeländerung zwischen den an sich parallelen Klemmringen. According to a particularly preferred embodiment of the invention are to decrease the torsion path two on the shaft in the Distance from each other arranged clamping rings provided between which elastically deformable, closed frame for recording are each arranged a capacitor arrangement. In addition to one Displacement of the two clamping rings to each other cause cross forces and bending moments due to the bending line also a Angle change between the parallel clamping rings.

Damit diese Winkeländerung sich nicht auf die parallelen Flächen der einzelnen Elektrodenpaare überträgt und damit eine Änderung der Gesamtkapazität hervorruft, sind die Kondensator anordnungen jeweils in dem elastisch verformbaren, geschlosse nen Rahmen montiert. Dieser Rahmen kann dann so dimensioniert werden, daß noch Parallelverschiebungen in tangentialer Richtung möglich sind. Zweckmäßigerweise wird der Rahmen dann an einem Klemmring in geringem Umfang elastisch verdrehbar und am ande ren Klemmring fest angebracht. Die elastisch verdrehbare An bringung des Rahmens an dem einen Klemmring wird dabei auf besonders einfache Weise durch eine Schwachstelle dieses Klemmrings realisiert.So that this angle change does not affect the parallel Surfaces of the individual pairs of electrodes transfers and thus one Changing the total capacity causes the capacitors arrangements in the elastically deformable, closed mounted on a frame. This frame can then be sized be that even parallel shifts in the tangential direction possible are. Conveniently, the frame is then at a Clamping ring to a small extent elastically rotatable and on the other fixed clamping ring. The elastically rotatable An Bringing the frame to the one clamping ring is doing on particularly simple way by a vulnerability of this Realized clamping ring.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an hand der Zeichnung näher erläutert.In the following, embodiments of the invention hand of the drawing explained in more detail.

Es zeigenShow it

Fig. 1 die Erfassung der Torsion einer Welle als Maß für das übertragene Drehmoment, Fig. 1, the detection of the torsion of a shaft as a measure for the transmitted torque,

Fig. 2 die Abnahme der Torsion durch zwei im Abstand zueinan der auf der Welle angeordnete Klemmringe, Fig. 2 shows the decrease in torsion by two at a distance of zueinan arranged on the shaft clamping rings,

Fig. 3 und 4 in der Draufsicht bzw. in der Seitenansicht einen Meßaufnehmer für die berührungslose Messung von Drehmomenten durch mechanisch-elektrische Meßgrößen umformung mittels einer verstellbaren Kapazität, FIGS. 3 and 4 in the plan view and in side view a measuring sensor for contactless measurement of torques by mechanical-electrical measurement variables forming means of an adjustable capacitance,

Fig. 5 die Elektrodenstrukturen der beim Meßaufnehmer gemäß den Fig. 3 und 4 als verstellbare Kapazität verwen deten Kondensatoranordnung sowie das zugeordnete Er satzschaltbild dieser Kondensatoranordnung, Fig. 5, the electrode structures of the USAGE when measuring transducer according to Figures 3 and 4 as an adjustable capacity. Deten capacitor arrangement and the associated It equivalent circuit diagram of this capacitor arrangement,

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Elektrodenstruktur gemäß Fig. 5, Fig. 6 shows a cross section through the electrode structure shown in FIG. 5,

Fig. 7 eine Schaltungsanordnung zur induktiven Übertragung der mit dem Meßaufnehmer gemäß den Fig. 3 und 4 erfaßten Kapazitätsänderungen in stark vereinfach ter schematischer Darstellung, Fig. 7 shows a circuit arrangement for inductive transmission of the detected with the sensor shown in FIGS. 3 and 4 changes in capacitance in simplistic ter schematic representation;

Fig. 8 und 9 das Prinzip einer exakten Kompensation von auf die Welle einwirkenden Querkräften bzw. Biegemomenten, FIGS. 8 and 9 shows the principle of an exact compensation by acting on the shaft transverse forces and bending moments,

Fig. 10 einen nach dem Prinzip gemäß Fig. 8 und 9 ausge bildeten Meßaufnehmer für die berührungslose Mes sung von Drehmomenten, Fig. 10 a, according to the principle shown in FIG. 8 and 9 are formed for the contactless measuring transducer Mes solution of torques

Fig. 11 und 12 Seitenansichten der beiden 180° verdreht angeord neten Kondensatoranordnungen des in Fig. 10 darge stellten Meßaufnehmers, FIGS. 11 and 12 are side views of the two 180 ° twisted angeord Neten capacitor arrays of in Fig. 10 Darge introduced the measuring transducer,

Fig. 13 eine Reihenschaltung der in den Fig. 11 und 12 dar gestellten Kondensatoranordnungen, Fig. 13 is a series circuit of the capacitor arrays provided in FIGS. 11 and 12 represent,

Fig. 14 das Ersatzschaltbild der Reihenschaltung gemäß Fig. 13, Fig. 14 shows the equivalent circuit of the series circuit of FIG. 13,

Fig. 15 das Prinzip eines Meßaufnehmers für die berührungs lose Messung von Drehmomenten mit insgesamt vier Kondensatoranordnungen, Fig. 15 shows the principle of a measuring transducer for the touch-free measurement of torques with four capacitor arrays,

Fig. 16 das Ersatzschaltbild des Meßaufnehmers gemäß Fig. 15 und Fig. 16 shows the equivalent circuit of the transducer of FIG. 15 and

Fig. 17 einen Meßaufnehmer für die berührungslose Messung von Drehmomenten mit zwei um 180° verdrehten Kon densatoranordnungen in perspektivischer Darstellung. Fig. 17 is a sensor for the non-contact measurement of torque with two twisted by 180 ° Kon densatoranordnungen in perspective view.

Fig. 1 zeigt eine um die Achse A drehbare Welle We, auf deren Umfangsfläche zwei im axialen Meßabstand 1 liegende Meßpunkte Mp 1 und Mp 2 angeordnet sind. Wird nun durch die Welle We ein durch den Pfeil Dm angedeutetes Drehmoment übertragen, so bil det die zwischen den Meßpunkten Mp 1 und Mp 2 auftretende Torsion der Welle We ein Maß für das Drehmoment Dm. In Fig. 1 ist diese dem Drehmoment Dm proportionale Torsion durch die zwischen den Meßpunkten Mp 1 und Mp 2 in Umfangsrichtung auftretende Längen änderung Δ x aufgezeigt. Fig. 1 shows a shaft A rotatable about the axis We , on the peripheral surface of two lying in the axial measuring distance 1 measuring points Mp 1 and Mp 2 are arranged. If now transmitted by the wave We indicated by the arrow Dm torque, so bil det occurring between the measuring points Mp 1 and Mp 2 torsion of the wave We a measure of the torque Dm . In Fig. 1, this torsion proportional to the torque Dm is shown by the occurring between the measuring points Mp 1 and Mp 2 in the circumferential direction length change Δ x .

Gemäß Fig. 2 werden zur Abnahme der in Fig. 1 aufgezeigten Torsion Δ x zwei mir Kr bezeichnete Klemmringe auf der Welle We derart befestigt, daß ihre in Umfangsrichtung linienförmigen Auflagen des axialen Meßabstand 1 aufweisen. Die Torsion Δ x zwischen den Meßpunkten Mp 1 und Mp 2 kann dann als zwischen den Klemmringen Kr auftretende Relativbewegung in Umfangsrichtung abgenommen werden. Bei Übertragung eines Drehmomentes Dm durch die Welle We verdrehen sich also die auf den Klemmringen Kr dargestellten Meßpunkte Mp 10 und Mp 20 um die Torsion Δ x gegeneinander.Referring to FIG. 2 Δ are used to decrease in indicated in Fig. 1 two torsion x I Kr called clamping rings on the shaft We mounted such that have their line-shaped in the circumferential direction imposed by the axial distance 1. The torsion Δ x between the measuring points Mp 1 and Mp 2 can then be removed as occurring between the clamping rings Kr relative movement in the circumferential direction. When transmitting a torque Dm through the shaft We thus turn the measuring points Mp 10 and Mp 20 shown on the clamping rings Kr by the torsion Δ x against each other.

Gemäß den Fig. 3 und 4 sind die beiden Klemmringe Kr mit Ab flachungen Af versehen, auf welchen die Elektrodenstrukturen Es 1 und Es 2 einer insgesamt mit Ka bezeichneten Kondensator anordnung aufgebracht sind. Die beiden als ineinandergreifende Kammstrukturen ausgebildete Elektrodenstrukturen Es 1 und Es 2 befinden sich auf elektrisch isolierenden Trägerschichten Ts 1 bzw. Ts 2, die aus einem temperaturstabilen Material, insbeson dere PTFE, bestehen. Es ist ferner zu erkennen, daß die beiden Klemmringe Kr über drei gleichmäßig über den Umfang verteilte, axial ausgerichtete Stifte St elastisch miteinander verbunden sind, so daß sie mit den bereits aufgebrachten Elektrodenstruk turen Es 1 bzw. Es 2 als bauliche Einheit auf die Welle We aufge setzt und mit Hilfe von Klemmschrauben Ks festgeklemmt werden können. Um die Messung der Torsion nicht zu verfälschen, muß die durch die Stifte St hergestellte elastische Verbindung der beiden Klemmringe Kr eine Steifigkeit aufweisen, die im Vergleich zur Steifigkeit der Welle We vernachlässigbar gering ist.According to FIGS. 3 and 4, the two clamping rings Kr are provided with Ab flattening Af , on which the electrode structures Es 1 and Es 2 of a total designated Ka capacitor arrangement are applied. The two formed as interlocking comb structures electrode structures Es 1 and Es 2 are located on electrically insulating carrier layers Ts 1 and Ts 2 , which consist of a temperature-stable material, in particular PTFE . It can also be seen that the two clamping rings Kr are elastically interconnected via three evenly distributed over the circumference, axially aligned pins St , so that they with the already applied Elektrodenstruk tures Es 1 and Es 2 as a structural unit to the wave We set up and can be clamped by means of clamping screws Ks . In order not to falsify the measurement of the torsion, the elastic connection of the two clamping rings Kr produced by the pins St must have a rigidity which is negligibly small compared to the rigidity of the shaft We .

Zur Erläuterung des Aufbaus und der Wirkungsweise der Konden satoranordnung Ka wird zusätzlich auf die Fig. 5 und 6 verwiesen. Insbesondere Fig. 5 zeigt, daß die Elektrodenstruk tur Es 1 durch einen Kammsteg Ks 1 und eine Vielzahl von in gleichmäßiger Teilung parallel im Abstand zueinander angeordneter und in axialer Richtung senkrecht vom Kammsteg Ks 1 wegstehenden Elektroden E 1 besteht. Die Elektrodenstruktur Es 1 ist dabei derart auf der Trägerschicht Ts 1 angeordnet, daß die freien Enden der einzelnen Elektroden E 1 über den Rand des zu geordneten Klemmringes Kr hinausragen. Die zweite, gleichartig ausgebildete Elektrodenstruktur Es 2, die aus einem Kammsteg Ks 2 und einer Vielzahl von Elektroden E 2 besteht, ist in entspre chender Weise auf der Trägerschicht Ts 2 derart angeordnet, daß die freien Enden der einzelnen Elektroden E 2 über den Rand des zugeordneten Klemmringes Kr hinausragen und in die Zwischen räume zwischen den Elektroden E 1 der ersten Elektrodenstruktur Es 1 eingreifen. Die beiden ineinandergreifenden, kammförmigen Elektrodenstrukturen Es 1 und Es 2 sind dabei stark unsymmetrisch zueinander angeordnet, so daß jeweils zwischen paarweise einan der zugeordneten, benachbarten Elektroden E 1 und E 2 ein geringer Abstand d 1 besteht, der klein ist gegenüber dem Abstand d 2 zwischen einander nicht zugeordneten, benachbarten Elektroden E 1 und E 2. Dementsprechend sind die über die Abstände d 2 gebildeten Kapazitäten C 2 vernachlässigbar gering gegenüber den über die Abstände d 1 der Elektrodenpaare gebil deten Kapazitäten C 1. Wie gemäß Fig. 5 aus dem zugeordneten Ersatzschaltbild mit den Kapazitäten C 1 und C 2 zu erkennen ist, ergibt sich die Gesamtkapazität der Kondensatoranordnung Ka durch die Parallelschaltung der Elektrodenpaare aus der Summe der Einzelkapazitäten C 1, gegenüber der die Summe der Einzel kapazitäten C 2 zu vernachlässigen ist.To explain the structure and the operation of the condensate capacitor arrangement Ka is additionally made to FIGS . 5 and 6. In particular, Fig. 5 shows that the electrode structure tur Es 1 by a ridge Ks 1 and a plurality of uniform pitch parallel spaced apart and in the axial direction perpendicular from the ridge Ks 1 protruding electrodes E 1 consists. The electrode structure Es 1 is arranged on the carrier layer Ts 1 such that the free ends of the individual electrodes E 1 protrude beyond the edge of the parent to clamping ring Kr . The second, similarly formed electrode structure Es 2 , which consists of a comb web Ks 2 and a plurality of electrodes E 2 is arranged in a corre sponding manner on the support layer Ts 2 such that the free ends of the individual electrodes E 2 over the edge of the associated clamping ring Kr protrude and intervene in the intermediate spaces between the electrodes E 1 of the first electrode structure Es 1 . The two intermeshing, comb-shaped electrode structures Es 1 and Es 2 are arranged strongly asymmetrical to each other, so that in each case between paired einan the associated, adjacent electrodes E 1 and E 2 a small distance d 1 , which is small compared to the distance d 2 between not associated with each other, adjacent electrodes E 1 and E 2 . Accordingly, the capacitances formed on the distances d 2 C 2 negligible compared to the above, the distances d 1 of the electrode pairs gebil Deten capacitances C 1,. As shown in FIG. 5 is seen from the associated equivalent circuit with the capacitances C 1 and C 2, the total capacitance of the capacitor arrangement Ka is given by the parallel connection of the pairs of electrodes from the sum of the individual capacitances C 1, with respect to the sum of the individual capacitances C 2 is negligible.

Durch die bereits im Zusammenhang mit der Fig. 3 erwähnten Meßpunkte Mp 10 und Mp 20 ist in Fig. 5 angedeutet, daß sich die beiden auf den Klemmringen Kr angeordneten Elektrodenstruktu ren Es 1 und Es 2 um die Torsion Δ x parallel zueinander ver schieben. Die Torsion Δ x wird dann in eine KapazitätsänderungBy the already mentioned in connection with FIG. 3 measuring points Mp 10 and Mp 20 is indicated in Fig. 5, that the two arranged on the clamping rings Kr Elektrodenstruktu ren It 1 and 2 Es to the twist Δ x parallel to each other ver push. The torsion Δ x then becomes a capacitance change

umgesetzt, wobei n die Anzahl der Elektroden E 1 bzw. E 2, F 1 die Fläche des Überdeckungsbereichs u der Elektroden E 1 und E 2 eines Elektrodenpaares, d 1 der bereits vorstehend erwähnte Aus gangswert des Abstandes zwischen den Elektroden E 1 und E 2 eines Elektrodenpaares und ε _o die Dielektrizitätskonstante ist.where n is the number of electrodes E 1 and E 2 , F 1 is the area of coverage area u of electrodes E 1 and E 2 of an electrode pair, d 1 is the above-mentioned initial value of the distance between electrodes E 1 and E 2 of a pair of electrodes and ε _{o is} the dielectric constant.

Um einen hinreichend großen Meßeffekt zu erzielen, sollte der Abstand d 1 nicht wesentlich größer als die Torsion Δ x sein. Bei der Welle We eines Elektromotors mit einem Durchmesser D = 60 mm und einem axialen Meßabstand 1 = 30 mm beträgt die Torsion bei Nenndrehmoment beispielsweise Δ x = 2 µm, so daß hier beispielsweise für den Abstand d 1 ein Wert von ca. 5 Mikrometern angebracht ist. Mulitplikativ wirkt sich die Fläche F des Überdeckungsbereichs u der Elektroden E 1 und E 2 eines Elektrodenpaares und die Anzahl n der Elektrodenpaare aus. Große Flächen F bedeuten jedoch eine große Höhe h (vgl. Fig. 6) der Elektrodenstrukturen Es 1 und Es 2. In Verbindung mit den äußerst geringen Abständen d 1 resultieren daraus Elektroden strukturen Es 1 und Es 2 im Mikrometerbereich mit extrem großen Aspektverhältnissen. Derartige Strukturen sind durch die Rönt gentiefenlithographie in Verbindung mit der Mikrogalvanoplastik herstellbar, wobei hier als Werkstoff beispielsweise Nickel ge eignet ist. Die Strukturen können jedoch auch aus Silizium be stehen und durch die sogenannte Silizium-Mikromechanik, d.h. durch anisotropes Ätzen von Silizium hergestellt werden.In order to achieve a sufficiently large measuring effect, the distance d 1 should not be significantly greater than the torsion Δ x . In the wave We an electric motor with a diameter D = 60 mm and an axial measuring distance 1 = 30 mm, the torsion at nominal torque, for example, Δ x = 2 microns, so that here, for example, for the distance d 1 attached a value of about 5 microns is. The surface F of the covering area u of the electrodes E 1 and E 2 of a pair of electrodes and the number n of electrode pairs have a multiplicative effect. However, large areas F denote a large height h (see Fig. 6) of the electrode structures Es 1 and Es 2 . In combination with the extremely short distances d 1 , this results in electrode structures Es 1 and Es 2 in the micrometer range with extremely large aspect ratios. Such structures can be produced by the Rönt gentiefenlithographie in conjunction with the Mikrogalvanoplastik, in which case as a material, for example, nickel ge is suitable. However, the structures may also be made of silicon be and by the so-called silicon micromechanics, ie produced by anisotropic etching of silicon.

Bei einer Torsion Δ x im Bereich von 1 bis 5 Mikrometern hat sich beispielsweise folgende Strukturdimensionierung bewährt:For a torsion Δ x in the range of 1 to 5 micrometers, for example, the following structural dimensioning has proved successful:

Anzahl der ElektrodenpaareNumber of pairs of electrodes n = 35 n = 35 Abstand zwischen Elektroden E 1 und E 2 eines ElektrodenpaaresDistance between electrodes E 1 and E 2 of a pair of electrodes d 1 = 5 µm d 1 = 5 μm Abstand zwischen einander nicht zugeordneten benachbarten Elektroden E 1 und E 2 Distance between non-associated adjacent electrodes E 1 and E 2 d 2 = 300 µm d 2 = 300 μm Höhe einer Elektrode E 1 oder E 2 Height of an electrode E 1 or E 2 h = 500 µm h = 500 μm Stärke einer Elektrode E 1 oder E 2 Strength of an electrode E 1 or E 2 s = 300 µm s = 300 μm Länge der Überdeckung der Elektroden E 1 und E 2 Length of coverage of the electrodes E 1 and E 2 u = 5 mm u = 5 mm

Mit den vorstehenden Strukturdimensionierungen konnte bei einer Welle We mit einem Durchmesser D = 60 mm und einem axialen Meß abstand 1 = 30 mm eine Kapazitätsänderung C von ca. 100 pF erzielt werden, wobei die Kapazität der Kondensatoranordnung Ka von etwa 100 pF ohne Belastung durch ein Drehmoment Dm auf etwa 200 pF bei Nenndrehmoment anstieg. Die Änderung des Meßsignals liegt hier also bei etwa 100% während bei der Messung von Drehmomenten mittels Dehnungsmeßstreifen die entsprechenden Änderungen nur im Promillebereich liegen. With the above Strukturdimensionierungen could in a wave We with a diameter D = 60 mm and an axial measuring distance 1 = 30 mm, a capacitance change C of about 100 pF be achieved, the capacitance of the capacitor arrangement Ka of about 100 pF without load by a Torque Dm increased to about 200 pF at nominal torque. The change in the measuring signal is therefore about 100%, while in the measurement of torques by means of strain gauges, the corresponding changes are only in the per thousand range.

Die beiden Elektrodenstrukturen Es 1 und Es 2 werden zweckmäßigerweise als ein einziges Teil hergestellt und nach der elektrisch isolierten Befestigung auf den durch die Stifte St miteinander verbundenen Klemmringen Kr mechanisch und elektrisch voneinander getrennt. Die Trennung erfolgt dabei zweckmäßigerweise über aus Fig. 5 ersichtliche Schwachstellen Ss, welche im Bereich der Querverbindungen zwischen den Kamm stegen Ks 1 und Ks 2 angeordnet sind.The two electrode structures Es 1 and Es 2 are advantageously prepared as a single part and mechanically and electrically separated from each other after the electrically insulated attachment to the interconnected by the pins St clamping rings Kr . The separation is carried out advantageously about from Fig. 5 apparent vulnerability Ss, which are in the region of the transverse connections between the comb webs Ks 1 and Ks 2 is arranged.

Das Ineinandergreifen der Elektroden E 1 und E 2 der Elektroden strukturen Es 1 und Es 2 ohne Beeinträchtigung ihrer Verstellbar keit durch die Torsion Δ x geht insbesondere aus Fig. 6 hervor. Es ist zu erkennen, daß durch geringe Abstufungen der Träger schichten Ts 1 und Ts 2 im Überdeckungsbereich der Elektroden E 1 und E 2 eine reibungsfreie Verstellung gewährleistet ist. Fig. 6 zeigt ferner durch strichpunktierte Linien eine hermetische Verkapselung der Gesamtanordnung mit den Elektroden E 1 und E 2 auf. Diese Verkapselung Vk verhindert den Zutritt von Feuchtig keit und Staub und damit eine eventuelle Verfälschung der Messung.The meshing of the electrodes E 1 and E 2 of the electrodes structures Es 1 and Es 2 without affecting their ability to adjust by the torsion Δ x is shown in particular in Fig. 6. It can be seen that by shallow gradations of the carrier layers Ts 1 and Ts 2 in the coverage area of the electrodes E 1 and E 2, a friction-free adjustment is ensured. FIG. 6 further shows by dashed lines a hermetic encapsulation of the overall arrangement with the electrodes E 1 and E 2 . This encapsulation Vk prevents the ingress of moisture and dust and thus a possible falsification of the measurement.

Fig. 7 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung das Schaltungsprinzip für die berührungslose induktive Über tragung der mit dem Meßaufnehmer gemäß den Fig. 3 und 4 erfaßten Kapazitätsänderungen C. Es ist zu erkennen, daß die Kondensatoranordnung Ka parallel an eine Ringspule Rs ange schlossen ist, wobei diese Ringspule Rs neben den beiden in Fig. 3 dargestellten Klemmringen Kr auf die Welle We aufgesetzt ist. Über einer fest angeordneten Primärspule Pm wird der Pa rallelresonanzkreis auf der Welle We, bestehend aus der Konden satoranordnung bzw. Meßkapazität Ka und der Induktivität der Ringspule Rs in Resonanz gebracht. Aus der Resonanzfrequenz ergibt sich dann eindeutig die Größe der Meßkapazität Ka und damit das Drehmoment Dm. Zur Erfassung der Resonanz dient dabei ein Strommeßgerät Sm, das mit der Primärspule Pm und einem Wechselstromgenerator Wg in Reihe geschaltet ist. Fig. 7 shows a highly simplified schematic representation of the circuit principle for non-contact inductive transmission over the detected with the transducer according to FIGS . 3 and 4 capacitance changes C. It can be seen that the capacitor array Ka is connected in parallel to a toroidal coil Rs , said annular coil Rs is placed next to the two shown in Fig. 3 clamping rings Kr on the shaft We . About a fixedly arranged primary coil Pm Pa rallelresonanzkreis on the wave We , consisting of the condensate capacitor arrangement or measuring capacitance Ka and the inductance of the toroidal coil Rs brought into resonance. From the resonant frequency then clearly results in the size of the measuring capacitance Ka and thus the torque Dm . In order to detect the resonance serves a current meter Sm , which is connected in series with the primary coil Pm and an alternator Wg .

Mit dem vorstehend beschriebenen Meßaufnehmer kann das über die Welle We übertragene Drehmoment Dm und damit auch die mechanische Leistung mit einer hohen Genauigkeit von weniger als ± 1% in einem Temperaturbereich von -40°C bis 200°C gemessen werden. Bei einem gegenüber bekannten Meßaufnehmern äußerst geringen Platzbedarf sind als weiterer Vorteil auch noch die geringen Herstellkosten hervorzuheben. Von den zahl reichen Variationsmöglichkeiten im Rahmen des Erfindungsge dankens ist insbesondere die direkte, elektrisch isolierte Aufbringung der Elektrodenstrukturen auf eine Welle oder auf ein anderes zu vermessendes Objekt hervorzuheben.With the above-described transducer, the torque Dm transmitted through the shaft We and thus also the mechanical performance can be measured with a high accuracy of less than ± 1% in a temperature range of -40 ° C to 200 ° C. In a comparison with known transducers extremely small footprint as a further advantage also highlight the low production costs. Of the numerous possibilities of variation in the context of Erfindungsge thanking particular the direct, electrically isolated application of the electrode structures on a wave or other object to be measured is emphasized.

Im folgenden werden anhand der Fig. 8 bis 17 Ausführungsbei spiele von Meßaufnehmern für die berührungslose Messung von Drehmomenten beschrieben, bei welchen die Einflüsse von Quer kräften und Biegemomenten vollständig eliminiert werden.The following will be described with reference to FIGS . 8 to 17 Ausführungsbei games of transducers for non-contact measurement of torques, in which the influences of transverse forces and bending moments are completely eliminated.

Querkräfte und Biegemomente verursachen eine Verformung der Welle entsprechend der Biegelinie. Daraus resultiert normal zur Achse der Welle eine Verschiebung der Relativlage der beiden Klemmringe, die die Torsion von der Welle abnehmen.Transverse forces and bending moments cause a deformation of the Shaft according to the bending line. This results normal to Axis of the shaft is a shift in the relative position of the two Clamping rings that remove the torsion from the shaft.

Fig. 8 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine Kondensatoranordnung Ka, deren nicht näher bezeichnete Elektroden jeweils an einem Klemmring Kr angebracht sein sollen. Bei Einleitung einer senkrecht zu den Elektrodenflächen der Kondensatoranordnung Ka verlaufenden Querkraft F oder eines entsprechenden Biegemoments ergibt sich eine wesentliche Änderung des Elektrodenabstandes und damit der Gesamtkapazität der Kondensatoranordnung Ka. Eine Trennung bzw. Kompensation zur Querkraft- und Biegemomenteinflüsse wird durch eine zweite, identische Kondensatoranordnung Ka 2 erreicht, die in bezug auf die Achse A um einen Winkel von 180° verdreht zur Kondensator anordnung Ka angeordnet ist. Die Kondensatoranordnung Ka könnte also durch eine Drehung um 180° um die Achse A die Lage der zweiten Kondensatoranordnung Ka 2 einnehmen. Es ist ersichtlich, daß durch eine Reihenschaltung der Gesamtkapazität der Konden satoranordnung Ka und der Gesamtkapazität der zweiten Konden satoranordnung Ka 2 eine Meßkapazität gebildet wird, welche an die axiale Ringspule Rs angeschlossen ist. Wirkt nun ein Dreh moment Dm auf die Welle, so vergrößern sich die Elektrodenab stände und damit die Gesamtkapazitäten der Kondensatoranord nung Ka und Ka 2 in gleichem Maße. Bei der in Fig. 8 dargestell ten Einleitung der Querkraft F oder eines entsprechenden Biege moments vergrößert sich der Elektrodenabstand der Kondensator anordnung Ka, der Elektrodenabstand der zweiten Kondensator anordnung Ka 2 vergrößert sich jedoch in gleichem Maße. Durch die Reihenschaltung der Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2 ergibt sich somit eine exakte Kompensation, d.h. die durch die aufgezeigte Reihenschaltung gebildete Meßkapazität bleibt durch den Einfluß der Querkraft F unverändert. Fig. 8 shows a highly simplified schematic representation of a capacitor arrangement Ka , whose unspecified electrodes are each to be attached to a clamping ring Kr . Upon initiation of a perpendicular to the electrode surfaces of the capacitor arrangement Ka extending transverse force F or a corresponding bending moment results in a significant change in the electrode spacing and thus the total capacitance of the capacitor arrangement Ka . A separation or compensation for the lateral force and bending moment influences is achieved by a second, identical capacitor arrangement Ka 2, twisted in relation to the axis A by an angle of 180 ° to the capacitor arrangement Ka is arranged. The capacitor arrangement Ka could thus assume the position of the second capacitor arrangement Ka 2 by a rotation through 180 ° about the axis A. It can be seen that satoranordnung Ka and the total capacitance of the second condensate satoranordnung Ka 2 a measuring capacitance is formed by a series connection of the total capacitance of the condensate capacitor, which is connected to the axial annular coil Rs . Now acts a torque Dm on the shaft, so enlarge the Elektrodenab states and thus the total capacitances Ka capacitor capacitor Ka and Ka 2 to the same extent. When in Fig. 8 dargestell th initiation of the transverse force F or a corresponding bending moments increases the electrode spacing of the capacitor arrangement Ka , the electrode spacing of the second capacitor arrangement Ka 2 increases, however, to the same extent. The series connection of the capacitor arrangements Ka and Ka 2 thus results in an exact compensation, ie the measuring capacitance formed by the indicated series circuit remains unchanged by the influence of the transverse force F.

Fig. 9 zeigt den Einfluß der Querkraft F in einer zur Lage der Fig. 8 um 90° verdrehten Lage der Kondensatoranordnung Ka und Ka 2. In dieser Lage bewirkt die Querkraft F die stark übertrie ben dargestellte Verschiebung parallel zu den Elektrodenflächen der Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2. Da die Flächen der Kapa zitäten mit Flächenänderungen von weniger als ein Promille nur minimal verringert werden, ergibt sich kein merklicher oder störender Einfluß auf die Meßkapazität. FIG. 9 shows the influence of the transverse force F in a position of the capacitor arrangement Ka and Ka 2 rotated by 90 ° relative to the position of FIG. 8. In this position, the lateral force F causes the strong exaggerated ben shown displacement parallel to the electrode surfaces of the capacitor assemblies Ka and Ka second Since the areas of Capa capacities are reduced only minimally with changes in area of less than one thousandth, there is no significant or disturbing influence on the measuring capacity.

Die Fig. 10 bis 12 zeigen die praktische Anwendung des in Fig. 8 aufgezeigten Prinzips. Dabei zeigt Fig. 10 die Anbringung der Kondensatoranordnung Ka auf Klemmringen Kr in einer weitgehend ähnlichen Weise, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Abweichend von der Darstellung gemäß Fig. 4 ist jedoch gemäß Fig. 10 eine zweite, in bezug auf die Achse A der Welle We um einen Winkel von 180° verdreht angeordnete, identische Kondensatoranordnung Ka 2 vorgesehen. Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf diese zweite Kondensatoranordnung Ka 2, während Fig. 12 eine Draufsicht auf die Kondensatoranordnung Ka zeigt. Es ist erkennbar, daß die Kondensatoranordnung Ka durch eine Drehung um 180° um die Achse A der Welle We in die Lage der zweiten Kondensatoranordnung Ka 2 überführt werden könnte. Figs. 10 to 12 show the practical application of the principle shown in Fig. 8. In this case, Fig. 10 shows the attachment of the capacitor arrangement Ka on clamping rings Kr in a substantially similar manner, as shown in Fig. 4. Notwithstanding the illustration of FIG. 4, however, a second, with respect to the axis A of the wave We rotated by an angle of 180 °, a second identical capacitor arrangement Ka 2 is provided as shown in FIG . Fig. 11 shows a plan view of this second capacitor array Ka 2, while Fig. 12 shows a plan view of the capacitor array Ka. It can be seen that the capacitor arrangement Ka could be converted by a rotation through 180 ° about the axis A of the wave We in the position of the second capacitor arrangement Ka 2 .

Fig. 13 zeigt die Schaltung der in den Fig. 11 und 12 darge stellten Kondensatoranordnungen Ka 2 und Ka. Es ist erkennbar, daß die Kondensatoranordnungen Ka 2 und Ka in Reihe geschaltet sind und daß die aus dieser Reihenschaltungen resultierende Meßkapazität parallel an die bereits im Zusammenhang mit den Fig. 7, 8 und 9 erwähnte Ringspule Rs angeschlossen ist. Der Elektrodenabstand der Kondensatoranordnung Ka ist mit d 1 be zeichnet (vgl. Fig. 5), während der Elektrodenabstand der Kondensatoranordnung Ka 2 mit d 11 bezeichnet ist. Aus dem in Fig. 8 aufgezeigten Prinzip und aus den geometrischen Bedin gungen der Anbringung der Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2 gemäß den Fig. 10 bis 12 ergibt sich, daß bei einer Vergrö ßerung des Elektrodenabstandes d 1 um Δ d sich gleichzeitig der Elektrodenabstand d 11 um Δ d verringert und umgekehrt. Für das in Fig. 14 dargestellte Ersatzschaltbild ergibt sich die Kapa zität C gemäß folgender Beziehung FIG. 13 shows the circuit of the capacitor arrangements Ka 2 and Ka shown in FIGS . 11 and 12. It can be seen that the capacitor arrangements Ka 2 and Ka are connected in series and that the measuring capacitance resulting from these series connections is connected in parallel to the ring coil Rs already mentioned in connection with FIGS . 7, 8 and 9. The electrode spacing of the capacitor arrangement Ka is characterized by d 1 (see FIG. 5), while the electrode spacing of the capacitor arrangement Ka 2 is denoted by d 11 . From the in Figure 8 the disclosed principle. And from the geometric Bedin of mounting the capacitor arrangements Ka and Ka 2 according to Fig conditions. 10 to 12 shows that at a magnification of the electrode distance d 1 to Δ d fication at the same time the electrode spacing d 11 reduced by Δ d and vice versa. For the equivalent circuit shown in Fig. 14, the capacitance C results according to the following relationship

wobei ε _o die absolute Dielektrizitätskonstante, ε _r die relative Dielektrizitätskonstante und F 1 die Fläche des Über deckungsbereichs der Elektroden ist. Aus diesem Zusammenhang ist besonders deutlich erkennbar, daß durch Querkräfte oder Biegemomente hervorgerufene Abstandsänderungen vollständig kom pensiert bzw. eliminiert werden.where ε _{o is} the absolute dielectric constant, ε _{r is} the relative dielectric constant and F 1 is the area of the overlap region of the electrodes. From this context, it is particularly clear that caused by lateral forces or bending moments distance changes completely kom pensiert or eliminated.

Fig. 15 zeigt, daß das in Fig. 8 aufgezeigte Prinzip der Kom pensation von auf die Welle We einwirkenden Querkräften oder Biegemomenten auch mit mehr als zwei Kondensatoranordnungen realisiert werden kann. Dabei sind die Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2 wie bisher um 180° verdreht zueinander angeordnet und in Reihe geschaltet, wobei die hieraus resultierende Meß kapazität parallel an die Ringspule Rs angeschlossen ist. Zwei weitere, identische Kondensatoranordnungen Ka 3 und Ka 4 - die gegenüber den Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2 um 90° verdreht angeordnet sind - sind ebenfalls um 180° verdreht zueinander angeordnet und in Reihe geschaltet, wobei die hieraus resul tierende Meßkapazität wiederum parallel an die Ringspule Rs an geschlossen ist. Die in Fig. 15 verschieden stark dargestellten Elektroden der rein schematisch aufgezeigten Kondensatoranord nungen Ka, Ka 2, Ka 3 und Ka 4 verdeutlichen die geometrischen Be dingungen der verdrehten Anordnungen bzw. der Anbringung an die hier nicht dargestellten Klemmringe. Die Meßwertübertragung er folgt auch bei dieser Anordnung wieder über die auf der Welle We angeordnete axiale Ringspule Rs, mit der hier die Gesamt-Meßkapazität einen Parallelresonanzkreis bildet. Dieser wird von der feststehenden Primärspule Pm induktiv angeregt und über die Resonanzfrequenz das Drehmoment auf der Welle We bestimmt. Fig. 15 shows that the shown in Fig. 8 principle of Kom compensation of acting on the wave We shear forces or bending moments can be realized with more than two capacitor arrangements. The capacitor assemblies Ka and Ka 2 are rotated as before by 180 ° to each other and connected in series, the resulting measuring capacitance is connected in parallel to the toroidal coil Rs . Two other identical capacitor arrangements Ka 3 and Ka 4 - which are arranged rotated relative to the capacitor assemblies Ka and Ka 2 by 90 ° - are also rotated by 180 ° to each other and connected in series, the resulting resul metering measuring capacitance in turn parallel to the toroidal coil Rs is closed on. The differently strongly illustrated in Fig. 15 electrodes of the purely schematically shown Kondensatoranord calculations Ka , Ka 2 , Ka 3 and Ka 4 illustrate the geometric loading conditions of the twisted arrangements and the attachment to the clamping rings, not shown here. The measured value transmission he follows in this arrangement again on the wave We arranged on the axial annular coil Rs , with the here the total measuring capacitance forms a parallel resonant circuit. This is inductively excited by the fixed primary coil Pm and determines the torque on the shaft We via the resonance frequency.

Fig. 16 zeigt das Ersatzschaltbild der in Fig. 15 dargestellten Anordnung. Es ist erkennbar, daß auch weitere Kondensatoranord nungen paarweise hinzugefügt werden können, sofern diese um 180° verdreht zueinander auf der Welle We (vgl. Fig. 15) ange ordnet und in Reihe geschaltet werden, wobei die resultierende Meßkapazität wiederum parallel an die Ringspule Rs angeschlossen wird. FIG. 16 shows the equivalent circuit of the arrangement shown in FIG . It can be seen that further capacitor arrangements can be added in pairs, provided that they are rotated by 180 ° relative to one another on the shaft We (see Fig. 15) and are connected in series, the resulting measuring capacitance in turn parallel to the annular coil Rs is connected.

Fig. 17 zeigt einen Meßaufnehmer für die berührungslose Messung von Drehmomenten mit zwei um 180° verdrehten, identischen Kon densatoranordnungen Ka und Ka 2 in perspektivischer Darstellung. Die beiden auf der Welle We im axialen Abstand zueinander ange ordneten Klemmringe sind hier mit Kr 1 und Kr 2 bezeichnet. Die Ringspule Rs ist unmittelbar hinter dem Klemmring Kr 2 auf der Welle We angeordnet. Fig. 17 shows a transducer for non-contact measurement of torque with two twisted by 180 °, identical Kon capacitor assemblies Ka and Ka 2 in perspective. The two on the shaft We at an axial distance from each other arranged clamping rings are here designated Kr 1 and Kr 2 . The annular coil Rs is arranged immediately behind the clamping ring Kr 2 on the shaft We .

Eine auf die Welle We einwirkende Querkraft F bewirkt neben der bereits erörterten Verschiebung der beiden Klemmringe Kr 1 und Kr 2 zueinander aufgrund der Biegelinie auch eine Winkeländerung zwischen den an sich parallelen Klemmringen Kr 1 und Kr 2. Damit diese Winkeländerungen sich nicht auf die parallelen Elektrodenflächen der Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2 über tragen und damit eine Kapazitätsänderung hervorrufen, wird jede der Kondensatoranordnungen Ka und Ka 2 in einem zugeordneten ge schlossenen Rahmen Ra montiert. Diese Rahmen Ra sind so dimen sioniert, daß noch Parallelverschiebungen in tanginaler Rich tung möglich sind. Eine feste Verbindung am Klemmring Kr 2 sowie eine leichte Verdrehungen erlaubende Verbindung am Klemmring Kr 1 gewährleisten, daß auch bei Querkräften F oder Biegemomenten eine parallele Anordnung der Elektroden der Kon densatoranordnungen Ka und Ka 2 aufrechterhalten bleibt. Die ge ringfügige Verdrehbarkeit wird im dargestellten Ausführungs beispiel durch eine Schwachstelle Ss 1 am Klemmring Kr 1 geschaf fen, wobei die nicht näher bezeichneten Schlitze zur Bildung dieser Schwachstelle Ss 1 parallel zum Rahmen Ra in den Klemm ring Kr 1 eingebracht sind. Die verschiedenen Bewegungsmöglich keiten der dargestellten Rahmenanordnung sind durch Pfeile Pf 1, Pf 2 und Pf 3 aufgezeigt.In addition to the already discussed displacement of the two clamping rings Kr 1 and Kr 2 due to the bending line, a transverse force F acting on the shaft We also causes an angle change between the clamping rings Kr 1 and Kr 2 parallel to one another. So that these angular changes do not carry over to the parallel electrode surfaces of the capacitor assemblies Ka and Ka 2 and thus cause a capacitance change, each of the capacitor assemblies Ka and Ka 2 is mounted in an associated GE closed frame Ra. These frames Ra are dimensioned so dimensioned that parallel displacements in the tangential Rich direction are possible. A firm connection on the clamping ring Kr 2 and a slight twisting permitting connection on the clamping ring Kr 1 ensure that even with transverse forces F or bending moments a parallel arrangement of the electrodes of the Kon capacitor assemblies Ka and Ka 2 is maintained. The ge ringfügige rotatability is in the illustrated embodiment, for example by a vulnerability Ss 1 on the clamping ring Kr 1 fen fen, said unspecified slots for forming this vulnerability Ss 1 parallel to the frame Ra in the clamping ring Kr 1 are introduced. The various possibilities of movement of the frame assembly shown are indicated by arrows Pf 1 , Pf 2 and Pf 3 .

Claims

1. measuring sensor with capacitive transducer for detecting the Torsionsweges (Δ x) in non-contact measurement of rotational moments (Dm) on rotating shafts (We), wherein

- The electrically isolated from each other electrode structures (Es 1 , Es 2 ) of a capacitor arrangement (Ka) by the treading to him comprehensive torsion ( Δ x ) are parallel to each other,
- The one electrode structure (Es 1 ) consists of a plurality of planar, parallel spaced apart electrodes ( E 1 ), between which the electrodes ( E 2 ) of the second similar electrode structure (Es 2 ) are arranged,
- The total capacitance of the capacitor arrangement (Ka) is determined by parallel connection of individual pairs of electrodes, each by an electrode ( E 1 ) of the one electrode structure (Es 1 ) and an associated, adjacent electrode ( E 2 ) of the second electrode structure (Es 2 ) are,
- The according to the to-be-detected torsion ( Δ x ) viable electrode spacing ( d 1 ) of the electrode pairs small compared to the distance ( d 2 ) between each other not zugeord Neten, adjacent electrodes ( E 1 , E 2 ) of the two electrodes structures (Es 1 It is 2 )

characterized in that the capacitor assembly (Ka) is associated with a second, with respect to the axis ( A ) of the shaft (We) by an angle of 180 ° to ordered, identical capacitor arrangement (Ka 2 ) and that the measuring capacitance by a series circuit the total capacitances of the two capacitor arrangements (Ka, Ka 2 ) is formed.

2. A transducer according to claim 1, characterized in that at least two further, in pairs with respect to the axis ( A ) of the shaft (We) rotated by 180 ° angle to each other to ordered, identical capacitor arrangements (Ka 3 , Ka 4 ) are provided , wherein further measuring capacitances by series connection of the total capacitances of each other associated condensate satoranordnungen (Ka 3 , Ka 4 ) are formed and that the total measuring capacitance is formed by a parallel connection of the individual Meßkapazitäten.

3. Measurement sensor according to claim 1 or 2, characterized in that for acceptance of the Torsionsweges (Δ x) two on the shaft (We) are seen in the mutually spaced clamping rings (Kr 1, Kr 2) provided, between which elastically deformable, closed Frame (Ra) for receiving in each case a capacitor arrangement (Ka, Ka 1 ) are arranged.

4. A transducer according to claim 3, characterized in that the frame (Ra) on a clamping ring (Kr 1 ) to a small extent elastically rotatable and on the other clamping ring (Kr 2 ) is firmly attached.

5. A transducer according to claim 4, characterized in that the elastically rotatable attachment of the frame (Ra) to the one clamping ring (Kr 1 ) by a weak point (Ss 1 ) of this clamping ring (Kr 1 ) is realized.