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Kapazitive Meßvorrichtung zum Messen kleiner Strecken Mikrometer,
die zum Messen von Abständen in der Größenordnung bis zu etwa 1 cm dienen, können
mit einer Meßgenauigkeit bis zu etwa einem zehntausendstel Zentimeter ausgebildet
werden. Für viele Zwecke ist es notwendig, auch kleinere Größen zu messen, jedoch
sind die bekannten Verfahren zur Erzielung größerer Genauigkeit im allgemeinen zeitraubend
und erfordern zu ihrer Durchführung kostpielige Vorrichtungen. Die vorliegende Erfindung
stellt sich die Aufgabe, eine verhältnismäßig einfache Form einer Vorrichtung zu
schaffen, welche die Durchführung weit feinerer Messungen, als sie mit einem Mikrometer
gemacht werden können, ermöglicht.
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Man hat bereits einen Präzisionsdickenmesser vorgeschlagen, bei welchem
die Dicke eines Gegenstandes durch Einstellung des Abstandes zwischen den Platten
eines Kondensators unter Kapazitätsänderung gemessen wird. Dabei wird ein Kompensationskondensator
benutzt, der parallel mit dem ersten derart geschaltet ist, daß die Änderung in
der Kompensationskapazität entgegengesetzt der Anderung der zu messenden Kapazität
erfolgt.
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Es wurde ferner eine Einrichtung zur stufenlosen Umwandlung einer
mechanischen Meßbewegung in eine äquivalente elektrische Größe mit Hilfe von Schwingungskreisen
vorgeschlagen, bei welcher mit Hilfe eines entsprechend der Meßbewegung einstellbaren
frequenzbestimmenden Gliedes die Frequenzbeziehungen zwischen den beiden Schwingungskreisen
geändert werden.
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Es sind ferner auch kapazitive Meßbrücken bekannt.
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Die Erfindung geht demnach von einer Vorrichtung zum Messen kleiner
Strecken durch Messung der Kapazität zwischen zwei Elektroden aus, deren Abstand
der zu messenden Strecke entspricht, wobei eine Brükkenschaltung benutzt wird.
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Erfindungsgemäß ist eine solche Vorrichtung gekennzeichnet durch
zwei Kapazitäten, deren eine aus zwei gegeneinander beweglichen, mit Hilfe einer
kalibrierten Vorrichtung einstellbaren Kondensatorplatten gebildet ist, während
die andere Kapazität durch ein zweites, ebenfalls gegeneinander bewegliches Plattenpaar
gebildet ist und eine elektrisch wirksame Fläche besitzt, die in einem vorbestimmten
Verhältnis zu der Fläche des ersten Plattenpaares steht, so daß im abgeglichenen
Zustand der Brücke die Abstände der Platten der beiden Kondensatoren ein bekanntes
Verhältnis zueinander aufweisen.
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Die Vorteile einer solchen Ausgestaltung und Verwendung einer kapazitiven
Meßbrücke liegen in der Einfachheit ihrer praktischen Handhabung sowie in
der Erzielung
größter Genauigkeit, welche z. B. die mit einer Mikrometeranordnung erzielbare Genauigkeit
weit übersteigt.
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Wenn die Brücke sich im Gleichgewicht befindet, so ist das Verhältnis
der beiden Kapazitäten aus der Brücke bekannt. Das Verhältnis dieser beiden Kapazitäten
ist unmittelbar proportional zu der effektiven Fläche der Elektroden sowie umgekehrt
proportional zu den Abständen der Elektroden. Hieraus folgt, daß, wenn das Verhältnis
der wirksamen Flächen und ebenso das Brückenverhältnis bekannt ist, der Abstand
des zweiten Paares Elektroden unmittelbar proportional im bekannten Verhältnis zu
demjenigen des ersten Elektrodenpaares ist.
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Beispielsweise kann das zweite Elektrodenpaar eine wirksame Fläche
besitzen, die den hundertsten Teil derjenigen des ersten Paares beträgt. In diesem
Falle können, vorausgesetzt, daß das erste Elektrodenpaar vermittels einer Mikrometereinstellung
beweglich ist, die dazu dienenden Elektroden in einem Bereich von O bis etwa 1 cm
mit einer Genauigkeit von einem zehntausendstel Zentimeter eingestellt werden, während
der
Abstand des zweiten Elektrodenpaares in einem Bereich von 0 bis 11ion cm mit einer
Genauigkeit von 1 Mikrozentimeter (einmillionstel Zentimeter) bestimmt werden kann.
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Um den beiden Kapazitäten konstante wirksame elektrische Flächen
zuzuordnen, ist es zweckmäßig, bei jedem Elektrodenpaar eine erste Elektrode mit
vollkommen ebener Fläche von bekanntem Flächeninhalt auszubilden, die von einem
Schutzring umgeben ist, wobei diese erste Elektrode mit einer parallelen zweiten
Elektrode von erheblich größerer Fläche zusammenwirkt.
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Der gegenüber der Elektrode isolierte Schutzring bewirkt, daß das
elektrische Feld zwischen beiden Elektroden linear und rechtwinklig zu den Elektrodenflächen
verlaufend ausgebildet wird, so daß Fehler, die vom Einfluß der Kanten herrühren,
vermieden werden.
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Beim Vergleich der beiden Kapazitäten benutzt man zweckmäßig einen
Brückenstromkreis mit einem Nulleiter. Dabei kann die elektrische Brücke als Wechselstrombrücke
mit induktivem Widerstandsverhältnis ausgebildet sein, wobei die induktiven, im
Verhältnis zueinander stehenden Widerstände durch zwei Wicklungen gebildet werden,
die in Reihe geschaltet und auf einem gemeinsamen Kern angeordnet werden, während
die zwei Kapazitäten die übrigen beiden Arme bilden, und wobei die Schutzringe der
beiden Kapazitäten mit der Verbindungsstelle der beiden Wicklungen verbunden sind.
Die beiden im Verhältnis zueinander stehenden Arme können zweckmäßig durch die sekundären
Wicklungen eines Spannung aufnehmenden Transformators dargestellt werden.
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Die Brücke kann eine Detektorwicklung enthalten, die zwischen die
Verbindung der Widerstände, welche die beiden Kapazitäten enthalten, und die Verbindung
der beiden Verhältniswiderstände geschaltet ist, wobei die Detektorwicklung die
Primärwicklung eines Leistungsstromtransformators bildet. Mittels dieser Brücke
können die Schutzringe mit der Nulleitung verbunden werden (d. h., es kann die Verbindung
zwischen der Detektorwicklung und der Verbindungsstelle der Brückenverhältnisarme
hergestellt werden).
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Zweckmäßig kann ein Elektrodenpaar als Sucher ausgebildet sein, wobei
es vorteilhaft ist, die kleinere Elektrode zu verwenden. Diese Elektrode kann als
Sucher am Ende eines abgeschirmten Kabels angeordnet sein, wobei die Abschirmung
mit einem Schutzring verbunden sein kann.
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Die vorstehend erläuterte, zum genauen Messen kleiner Entfernungen
dienende Vorrichtung kann für mannigfache besondere Zwecke benutzt werden.
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Bei der Verwendung von Endmaßen zum Messen des Innendurchmessers
eines Werkstücks ergibt sich eine geringe Abnahme der Maße. Es ist deshalb üblich,
wenn sehr genaues Messen erforderlich ist, periodisch die in Gebrauch befindlichen
Maße mit einer Meisterlehre zu vergleichen. Dies kann man durchführen, indem man
den vorstehend beschriebenen Apparat verwendet und die beiden Maße anwendet, um
sie wechselweise als zweite Elektrode des vorerwähnten zweiten Kondensators zu vergleichen.
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Der aus einer Elektrode nebst Schutzring bestehende Sucher ist in
geeigneter Höhe auf einem einstellbaren Unterbau angeordnet und mit der Brücke durch
eine Länge eines konzentrischen Kabels verbunden. Die Meisterlehre wird unter den
Sucher gebracht und die Höhe des Suchers derart eingestellt, daß sich eine
geeignete
Distanz von der Oberfläche des Hauptmaßes ergibt. Diese Meisterlehre wird als zweite
Elektrode mit der Brücke verbunden und der Abstand zwischen dem Sucher und der Meisterlehre
gemessen, indem man die Mikrometervorrichtung einstellt, welche den Abstand der
Elektroden der anderen Kapazität reguliert, bis die Brücke sich im Gleichgewicht
befindet.
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Die Meisterlehre wird dann durch die zu prüfende Lehre ersetzt und
die Brücke wieder in das Gleichgewicht durch Wiedereinstellung des Abstandes der
Elektroden der genannten ersten Kapazität. Die Differenz in den Abmessungen der
beiden Lehren ist unmittelbar proportional zu der Änderung der Mikrometereinstellung,
und wenn die wirksamen Flächen der beiden Kapazitäten im Verhältnis von 100:1 stehen
und das Mikrometer eine Ablesung bis zu einem zehntausendstel Zentimeter erlaubt,
so kann die Differenz der beiden Lehrenmaße ohne weiteres in Mikrozentimetern abgelesen
werden. Als weiteres Beispiel der Anordnung einer derart ausgebildeten Vorrichtung
kann der Sucher benutzt werden, um Differenzen in den Abmessungen eines Werkstücks
auf einer Drehbank oder Bohrmaschine zu messen indem der Sucher an dem Werkzeugträger
befestigt wird.
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Nachfolgend ist eine Ausführungsform der Erfindung an Hand der Zeichnung
beispielsweise beschrieben.
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Fig. 1 ist ein Schaltdiagramm, das den Stromkreis einer Wechselstrombrücke
veranschaulicht; Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung einen Kondensator,
der kreisförmige Platten besitzt, die längs eines Durchmessers durchgeschnitten
sind.
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Gemäß Fig. 1 ist eine Wechselstrombrücke mit induktivem Widerstandsverhältnis
dargestellt, die einen Spannungstransformator 10 mit seiner Eingangswicklung 11
aufweist, die von einer Wechselstromquelle gespeist wird und zwei Wicklungen 12,
13 besitzt, die in Reihe geschaltet und auf einen gemeinsamen Kern aufgewickelt
sind. Die Verbindungsstelle der beiden Wicklungen 12, 13 ist durch eine Leitung
14 (die nachfolgend als Nulleitung bezeichnet ist) mit einem Ende einer Wicklung
15 eines Transformators 16 verbunden. Dieser Transformator 16 hat eine Wicklung
17, die mit einem Empfänger 18 gekuppelt ist. Das von der Nulleitung abgekehrte
Ende der Wicklung 12 ist mit einer Platte eines Kondensators verbunden, dessen andere
Platte mit dem Ende der von der Nullleitung abgekehrt liegenden Wicklung 15 verbunden
ist. In gleicher Weise ist das Ende der Wicklung 13, das von der Nulleitung abgekehrt
liegt, mit einer Platte eines Kondensators 21 verbunden, dessen andere Platte ebenfalls
mit dem Ende der Wicklung 15, das von der Nulleitung abgekehrt liegt, verbunden
ist.
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Es ergibt sich bei gemäß Fig. 1 dargestellten Brükkenstromkreisen,
daß kein Strom durch die Wicklung 15 fließt, wenn die durch die beiden Kondensatoren
20, 21 fließenden Ströme gleich sind, d. h. wenn die Kapazitäten dieser beiden Kondensatoren
im Verhältnis der Spannungen stehen, die sich an den Wicklungen 12, 13 ergeben.
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Unter der Annahme, daß die Kapazität des Kondensators 20 gemessen
werden soll, kann man Gleichgewicht in der Brücke erhalten, indem man die Kapazität
des Kondensators 21 einstellt. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung wird diese
Einstellung durch Änderung des Abstandes zwischen den Platten
des
Kondensators bewirkt, da, wie bekannt ist, die Kapazität eines Kondensators mit
parallelen Platten, unter der Annahme, daß der Kondensator frei von Kantenwirkung
ist, proportional zu der wirksamen Plattenfläche und umgekehrt proportional zu ihrem
Abstand ist. In der Praxis sind die Wicklungen 12, 13 zweckmäßig so ausgeführt,
daß sie eine gleiche Zahl von Windungen besitzen, so daß gleiche Spannungen in den
beiden Kondensatoren verwendet werden. Die wirksame Plattenfläche des einstellbaren
Kondensators 21 von üblicher Größe ist als Vielfaches (in einem typischen Fall als
Hundertfaches) der wirksamen Fläche der Platten des Kondensators 20 ausgeführt.
Unter Zugrundelegung dieser Figuren ist die Brücke im Gleichgewicht, wenn der Abstand
zwischen den Platten des Kondensators 20 ein Hundertstel des Plattenabstandes des
Kondensators 21 beträgt. Wenn infolgedessen der Plattenabstand des Kondensators
21 mittels eines Mikrometers eingestellt wird, das einen Einstellbereich von 0 bis
etwa 1 cm und eine Meßgenauigkeit von etwa einem zehntausendstel Zentimeter hat,
so ermöglicht das Mikrometer, den Plattenabstand des Kondensators 20 in einem Bereich
von O bis 1/ioo cm mit der Genauigkeit von 1 Mikrozentimeter zu messen. Um Randeffekte
an den Kondensatoren zu vermeiden, können diese in der in Fig. 2 veranschaulichten
Weise ausgebildet sein, so daß sie eine große Platte 30 besitzen, die mit einer
kleineren Platte 31 zusammenarbeitet, wobei die letzterwähnte Platte mit einem Schutzring
32 umgeben ist. Der Schutzring 32 ist so angeordnet, daß der Abstand der Platte
30 von der Platte 31 in demselben Maß gehalten wird wie der Abstand der Platte 30
von dem Schutzring 32. Die Schutzringe jedes Kondensators sind mit der neutralen
Leitung der Brücke verbunden, wie durch die Verbindungen 33, 34 in Fig. 1 dargestellt.
Die wirksame Fläche dieses Schutzringes würde der Fläche der kleineren Platte 31
entsprechen.
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Die vorstehend beschriebene Einrichtung dient zur Messung des Abstandes
der Platten des Kondensators 20. Bei Verwendung dieser Anordnung für eine besondere
Aufgabe kann die eine Platte des Kondensators, vorzugsweise die größere Platte,
in üblicher Weise durch die Fläche des zu messenden Gegenstandes oder durch eine
Fläche eines beweglichen Elements gebildet werden, das in Berührung mit dem zu messenden
Gegenstand gebracht wird. Die Platte 31 und der Schutzring 32 können zweckmäßig
in Form eines Suchers ausgebildet sein, der auf einer vertikalen Säule eines Höhenmaßes
angeordnet sein und mit der Brücke mittels einer Länge eines konzentrischen Kabels
verbunden werden kann. In diesem Fall können, wenn das Höhenmaß zum Messen der Dimensionen
eines Endmaßes durch Vergleich mit einer Meisterlehre benutzt wird, die Oberflächen
der Meisterlehre und des Endmaßes dazu benutzt werden, die Platte 30 des Kondensators
zu bilden. Der Sucher würde in zweckmäßigem Abstand über die Fläche einer Meisterlehre
gebracht und alsdann in dieser Stellung an der Säule befestigt. Die Meisterlehre
würde alsdann durch das zu messende Endmaß ersetzt und die Brücke mittels der Mikrometereinstellung
am Kondensator 21 ins Gleichgewicht gebracht. Die Bewegung des Mikrometers, die
erforderlich ist, um die Brücke wieder ins Gleichgewicht zu bringen, ist unmittelbar
proportional zu der Differenz in den Abmessungen zwischen der Meisterlehre und dem
zu prüfenden Maß, wobei der Proportionalitätsfaktor
von dem Windungsverhältnis der
Wicklungen 12, 13 und den relativen wirksamen Flächen der beiden Kondensatoren 20,
21 bekannt ist.