CH639754A5

CH639754A5 - Kapazitiver messfuehler zum messen kleiner abstaende.

Info

Publication number: CH639754A5
Application number: CH562979A
Authority: CH
Inventors: Eberhard Riessland; Wolfgang Wagner; Guenter Opitz
Original assignee: Elektromat Veb
Priority date: 1978-06-20
Filing date: 1979-06-15
Publication date: 1983-11-30
Also published as: US4311959A; DD136897A1; FR2429411A1; GB2023847A; GB2023847B; SE436151B; FR2429411B3; DE2920491A1; BG32528A1; SE7905398L; JPS5536793A; JPS63141406U; DE2920491C2; DD136897B1; CS218893B1; SU1015243A1; HU182731B

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Messfühler zum Messen kleiner Abstände zwischen einer Messfläche am Messfühler und der Oberfläche eines leitfähigen Materials. Unter kleinen Abständen werden im vorliegenden Fall solche im Mikrometerbereich verstanden.

Aus der DE-AS 2448205 ist eine kapazitive Sonde zu einem Füllstandsmesser bekannt, bei der eine Sondenelektrode in den zu messenden Raum hineinragt. Durch das Füllgut wird das Feld der Sondenelektrode gegenüber dem Zustand ohne Füllgut deformiert. Dadurch ändern sich die Kapazitätsverhältnisse und werden in einer Auswerteschaltung angezeigt. Diese kapazitive Sonde eignet sich nicht zum Messen kleiner Abstände zwischen der Sondenelektrode aufgrund ungenügender Abschirmung.

Eine spezielle Abschirmeinrichtung für Mehrspurmagnetköpfe bei der Signalaufzeichnung und/oder Wiedergabe beschreibt das DD-WP 129940. Dabei besteht die Abschirmung aus einer Kombination von elektrisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Schichten, die Abschirmplatten bilden, und einer allen Magnetsystemen gemeinsamen Felddeformationsplatte. Die Abschirmplatten befinden sich dabei zwischen den einzelnen Magnetsystemen und erhöhen die Übersprechdämpfung.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen kapazitiven Messfühler zu schaffen, der geeignet ist, kleinste Kapazitätsänderungen zwischen einer Messfläche am Messfühler und einem leitfähigen Material festzustellen und anzuzeigen. Dabei soll der Messfühler konstruktiv einfach aufgebaut sein und eine kleine Messfläche besitzen. Durch die konstruktive Gestaltung einer speziellen Abschirmung sollen dabei die störenden Kapazitäten gegen Masse und störende Kopplungen nahezu vollständig unterdrückt werden, um die Messung kleinster Kapazitäten zu ermöglichen.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen davon gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Es erweist sich als günstig, wenn die Messfläche etwas aus der durch den Schirm und der ersten Elektrode gebildeten Abschlussfläche herausragt. Bei einer Berührung der Messfläche des allseitig isolierten Koppelstiftes mit dem leitfähigen Material werden dadurch Kurzschlüsse zwischen den anderen leitfähigen Teilen vermieden.

Durch Veränderung des Abstandes zwischen der Messfläche und dem genannten leitfähigen Material verändern sich die Kapazitäten zwischen dem Schirm, der ersten Elektrode und dem Koppelstift. Beim Anlegen einer Wechselspannung an einen Verstärkerelementeingang erscheint am Verstärkerelementausgang eine Ausgangswechselspannung, deren Wert vom Abstand abhängt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 die Anordnung des kapazitiven Messfühlers an einem praktischen Beispiel,

Figur 2 einen Vertikalschnitt durch den Messfühler,

Figur 3 das zugehörige Ersatzschaltbild, und die

Figuren 4 und 5 weitere Ausführungsvaranten des erfin-dungsgemässen Messfühlers.

Der kapazitive Messfühler 1 dient zum Messen des Abstandes di eines leitfähigen Materials 2 oder auch zur Feststellung, ob Begrenzungskanten eines leitfähigen Materials 2 in den Bereich einer Messfläche gelangt sind.

Figur 1 zeigt eine Messanordnung unter Verwendung eines kapazitiven Messfühlers 1.

Gemäss Figur 2 enthält der kapazitive Messfühler 1 einen geerdeten Schirm 3 in Form eines oben geschlossenen Hohlkörpers. Innerhalb des Schirmes 3 befindet sich eine erste Elektrode 4. Oberhalb der Elektrode 4 ist eine zweite Elektrode 5 angeordnet. In einer Öffnung der Elektrode 4 und in einer Vertiefung der Elektrode 5 befindet sich ein Koppelstift 6 mit einer Messfläche 7. Die Messfläche 7 ragt dabei etwas aus der durch die untere Begrenzung des Schirmes 3 und der Elektrode 4 gebildeten Fläche heraus, um Kurzschlüsse zwischen den leitfähigen Teilen beim Aufsetzen auf das leitfähige Material 2 zu vermeiden.

Der Zwischenraum zwischen dem Schirm 3, den Elektroden 4, 5 und dem Koppelstift 6 ist dabei mit einem Dielektrikum 8 niedriger Dielektrizitätskonstante ausgefüllt, wodurch diese Teile untereinander galvanisch isoliert sind. Die Wandstärke des Dielektrikums 8 zwischen den einzelnen Teilen ist dabei günstigerweise gleich gross.

Innerhalb des Schirmes 3 und oberhalb der Elektrode 5 befindet sich ein Verstärkerelement 9. Der Schirm 3 weist zwischen den Elektroden 4, 5 einen Entkoppelvorsprung 10 auf, wodurch die störende Kopplung zwischen den Elektroden verringert wird.

Die erste Elektrode 4 ist durch eine erste Bohrung 11 im Schirm 3 mit dem Speiseeingang E, die zweite Elektrode 5 mit dem Verstärkerelementeingang G und der Verstärkerelementausgang D durch eine zweite Bohrung 12 des Schirmes 3 mit dem Ausgang A des Fühlers verbunden.

Die Wirkungsweise des kapazitiven Messfühlers lässt sich am besten mit dem Ersatzschaltbild gemäss Figur 3 erklären.

Es bestehen folgende Kapazitäten:

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

639 754

Die Kapazität Cki zwischen der ersten Elektrode 4 und dem Koppelstift 6, die Kapazität Ck2 zwischen dem Koppelstift 6 und der zweiten Elektrode 5, und die Messkapazität CK zwischen dem Koppelstift 6 und dem auf Massepotential liegenden leitfähigen Material 2 (Figur 1, 2 usw.).

Weiterhin bestehen parasitäre Kapazitäten Cpl und dem Koppelstift 6 und dem ebenfalls auf Massepotential liegenden Schirm 3 und Cp2 zwischen den Elektroden 4, 5, die durch die konstruktive Gestaltung klein gehalten werden. Weitere Kapazitäten bestehen zwischen dem Schirm 3 und der ersten Elektrode 4 mit der Kapazität CMi sowie dem Schirm 3 und der zweiten Elektrode 5 unter Einschluss der parallel liegenden Eingangskapazität des Verstärkerelementes 9 mit der Kapazität CM2. Die Kapazität CM) hat aber keine Verfälschung des Messergebnisses zur Folge, sondern ihr störender Einfluss macht sich lediglich in einer Belastung der Versorgungswechselspannung U0 bemerkbar. Die Kapazität CMi ist deshalb in Figur 3 nur angedeutet.

Wird an den Eingang E die Versorgungswechselspannung Uv gelegt, so teilt sich die Spannung über den Kapazitäten des kapazitiven Messfühlers 1 auf.

Durch den Entkopplungsvorsprung 10 wird die parasitäre Kapazität Cp2 vernachlässigbar klein. Damit ergibt sich für die Ausgangspannung Ua in Abhängigkeit von dem zu messenden Abstand d]

U

u

'kl 'M2

1 +

'kl

CM2Ck2 CM2+°k2

+ Cpl + w

Es ist ein weiteres Ziel, durch die spezielle konstruktive Gestaltung die parasitäre Kapazität Cpi klein zu halten, weil der Einfluss von Cpi den eigentlichen Messeffekt unterdrückt.

Die veränderliche Kapazität ist Cx, die durch den verän-25 derlichen Abstand der Messfläche 7 des Koppelstiftes 6 gegeben ist.

G

2 Blatt Zeichnungen

Claims

639 754

1. Kapazitiver Messfühler zum Messen kleiner Abstände zwischen einer Messfläche und der Oberfläche eines leitfähigen Materials, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb eines oben geschlossenen Schirmes (3) an dessen unteren Ende eine mit dem Schirm (3) abschliessende erste Elektrode (4) befindet, dass oberhalb der ersten Elektrode (4) eine zweite Elektrode (5) angeordnet ist, dass sich in einer Öffnung der ersten Elektrode (4) ein Koppelstift (6) mit einer Messfläche (7) befindet, dass der Zwischenraum zwischen dem Schirm (3), den beiden Elektroden (4,5) und dem Koppelstift (6) mit einem Dielektrikum (8) zumindest teilweise ausgefüllt ist, dass sich innerhalb des Schirmes (3) und oberhalb der zweiten Elektrode (5) ein Verstärkerelement (9) befindet, und dass die erste Elektrode (4) mit einem Speiseeingang (E), die zweite Elektrode (5) mit einem Verstärkerelementeingang (G) und das Verstärkerelement (9) über einen Verstärkerelementausgang (D) mit einem Ausgang (A) des kapazitiven Messfühlers elektrisch verbunden ist.

2. Kapazitiver Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkerelement (9) ein Feldeffekttransistor ist, dessen Gate den Verstärkerelementeingang (G) und dessen Drain den Verstärkerelementausgang (D) bildet, und dessen Source (S) mit dem Schirm (3) verbunden ist.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Kapazitiver Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (3) zwischen den Elektroden (4,5) einen Entkoppelvorsprung (10) aufweist.

4. Kapazitiver Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (7) mit der durch den Schirm (3) und der ersten Elektrode (4) gebildeten Abschlussfläche bündig ist.

5. Kapazitiver Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (7) aus der durch den Schirm (3) und der ersten Elektrode (4) gebildeten Abschlussfläche herausragt.

6. Kapazitiver Messfühler nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Ende des Koppelstiftes (6) in eine Vertiefung der zweiten Elektrode (5) hineingreift.