DE1252915B - Kapazitiver Messumformer - Google Patents
Kapazitiver MessumformerInfo
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- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/14—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
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- G—PHYSICS
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- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
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Description
deutsches
wfWQssb
Patentamt
AUSLEGESCHRIFT Deutsche Kl.: 42 d -1/12
Nummer: 1252 915
Aktenzeichen: S 89178IX b/42 d
^ 252 913 Anmeldetag: 22. Januar 1964
Auslegetag: 26. Oktober 1967
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Meßumformer mit einer Mehrzahl von
in einer Reihe angeordneten Einzelelektroden, mit einer Versorgungseinrichtung zum Anlegen einer
Wechselspannung an die Reihe von Einzelelektroden, ferner mit einer relativ zur Elektrodenreihe bewegbaren
Interpolationselektrode, die durch das elektrische Feld der Einzelelektroden mit einer der
Relativstellung der Interpolationselektrode zu den Einzelelektroden entsprechenden Spannung kapazitiv
beaufschlagt wird, und mit Schaltmitteln zum Verändern der entlang der Elektrodenreihe herrschenden
Spannungsverteilung.
Meßumformer haben allgemein die Aufgabe, eine physikalische Größe, hier z. B. eine Lageänderung, in
eine andere physikalische Größe, hier z. B. eine Spannungsänderung, umzuwandeln.
Es sind Vorrichtungen zum Messen der Abstandsänderung von Elementen durch Messung der Änderung
der Kapazität bekannt, bei denen eine aus meh- ao reren gleich großen und auf gleichem Potential
liegenden Flächen bestehende Elektrode ein elektrisches Feld erzeugt, wobei eine bei Verschieben einer
der genannten Elektrode gegenüberliegenden Gegenelektrode in Richtung ihrer Flächen eine Kapazitäts- as
änderung erfolgt, die in einer Brückenschaltung oder in einem Schwingkreis zur Anzeige gebracht wird.
Bei derartigen Vorrichtungen muß jedoch ein Kompromiß geschlossen werden zwischen der Empfindlichkeit
des Meßumformers und der Größe des Meßbereichs, da derartige Vorrichtungen einerseits mehrdeutig
und andererseits nur in bestimmten Bereichen mit größerer Empfindlichkeit arbeiten können.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, bei äußerst einfachem Aufbau des durch die Erfindung
vorgeschlagenen Meßumformers eine Verlagerung des Meßbereichs bei gleichbleibend großer Empfindlichkeit
des Meßumformers zu ermöglichen.
Dies erreicht die Erfindung dadurch, daß die Reihe von Einzelelektfoden zwei auf verschiedenem Potential
liegende Gruppen jeweils derart elektrisch leitend verbundene Elektroden enthält, daß nur zwischen den
nebeneinanderliegenden beiden Elektroden der Elektrodengruppen eine Potentialdifferenz auftritt, und daß
Schaltmittel zum Trennen und Schließen der Verbindungen zwischen den Einzelelektroden untereinander
oder zwischen den Einzelelektroden und der Spannungsquelle derart vorgesehen sind, daß der
Ort der Potentialdifferenz entlang der Elektrodenreihe verschiebbar ist.
Die auf diese Weise im Bereich zwischen den beiden nebeneinanderliegenden Elektroden benach-Kapazitiver
Meßumformer
Anmelder:
Sogenique (Electronics) Limited,
Newport Pagnell, Buckinghamshire
(Großbritannien)
Newport Pagnell, Buckinghamshire
(Großbritannien)
Vertreter:
Dr.-Ing. Κ. Boehmert
und Dipl.-Ing. A. Boehmert, Patentanwälte,
Bremen, Feldstr. 24
Bremen, Feldstr. 24
Als Erfinder benannt:
Caleb Frederick Wolfendale,
Great Brickhill, Buckinghamshire
(Großbritannien)
Caleb Frederick Wolfendale,
Great Brickhill, Buckinghamshire
(Großbritannien)
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 23. Januar 1963 (2834) - -
barter und auf unterschiedlichem Potential befindlicher Elektrodengruppen aufgebaute Potentialdifferenz
sichert also eine erhebliche Empfindlichkeit des Meßumformers, wenn die Interpolationselektrode in
diesem Bereich bewegt wird.
Zur Lageänderung des Meßbereichs ist es bei der Erfindung also nur notwendig, die Aufteilung der zu
Gruppen geschalteten Einzelelektroden zu ändern. Die Empfindlichkeit des Meßumformers wird bei
einer Lageänderung der Potentialdifferenz und damit des Meßbereichs dabei nicht geändert.
Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei auf die Zeichnungen
Bezug genommen wird. In diesen ist
F i g. 1 eine schematische Darstellung, die die allgemeine Schaltungsanordnung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt,
709 679/24*
Fig. la eine graphische Darstellung, die das mit der Schaltungsanordnung von Fig. 1 erhaltene Signal
zeigt,
F i g. 2 ein Ausschnitt, der eine Abwandlung der Sciialiungsanordnung von F i g. 1 zeigt, und
F i g. 3 ein entsprechender Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Der Meßumformer besteht in der gezeigten Form aus einer Reihe von Einzelelektroden 10 a, 10 b, 10 c,
10 d, 10 e, 10/. Wenn der Meßumformer auf eine
Kreisbewegung ansprechen oder diese ausführen soll, können die Einzelelektroden kreisbogenförmig, beispielsweise
wie Segmente einer Scheibe oder eines Ringes, angeordnet sein. Wenn der Meßumformer
hingegen auf eine Linearbewegung ansprechen soll, ist es zweckmäßig, die Einzelelektroden als eine
Reihe von kurzen metallischen Zylindern mit kreisförmigem oder anderem Querschnitt auszubilden und
Ende an Ende hintereinander anzuordnen, so daß eine stangen- oder stabförmige Anordnung entsteht.
Zur Erleichterung der Beschreibung wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel davon ausgegangen,
daß eine Linearbewegung erfolgt. Eine vorzugsweise zylindrisch ausgebildete Interpolationselektrode
11 wirkt mit den Einzelelektroden zusammen, indem sie die Reihe der Einzelelektroden umgibt und an der
Oberfläche der Einzelelektroden 10 entlang, jedoch mit Abstand von diesen verschiebbar geführt ist. Mit
der Interpolationselektrode 11 können Schutz- oder Abschirmelektroden verbunden sein. Die Einzelelektroden
sind gegeneinander und gegen die Interpolationselektrode elektrisch isoliert.
Wenn an zwei benachbarte Einzelelektroden der Reihe eine Wechselspannung angelegt wird, dann
entsteht zwischen den Elektroden ein elektrisches Wechselfeld, so daß in der Interpolationselektrode,
wenn diese in das Feld gelangt, eine Spannung induziert wird, die von der Lage zu den beiden Einzelelektroden
abhängig ist. In einem älteren Vorschlag des Erfinders ist ein System dieser Art beschrieben,
bei dem an die aufeinanderfolgenden Einzelelektroden der Reihe nach ansteigende Potentiale gelegt
werden, so daß im wesentlichen entlang der gesamten Länge der Elektrodenreihe ein Feld vorhanden ist.
Mit Nachweisvorrichtungen, die auf die an der Interpolationselektrode auftretende Spannung ansprechen,
ist es möglich, eine Anzeige über die Stellung der Interpolationselektrode zu den Einzelelektroden der
Reihe zu erhalten. Die induzierte Spannung kann mittels einer Brücken- oder ähnlichen Nullpunktschaltung
sehr genau bestimmt und angezeigt werden. Aber auch für eine Nachführsteuerung kann die
Spannung an den Einzelelektroden in bezug auf ein Bezugspotential sehr genau eingestellt werden, wobei
dann die Interpolationselektrode so lange die Reihe der Einzelelektroden entlang bewegt wird, bis die
induzierte Spannung im Verhältnis zu dem Bezugspotential Null ist. Die an der Interpolationselektrode
induzierte Spannung kann auch direkt zur Anzeige der Stellung verwendet werden, aber ein derartiges
Verfahren ist natürlich weniger genau als die Null-Methode.
Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung wird die weniger zur Verfügung stehende Wechselspannung
tatsächlich nur zwischen wenigen Einzelelektroden der Reihe angelegt. Daher wird bei einer
gegebenen, an die Einzelelektroden angelegten Wechselspannung die Feldstärke und somit die in der
Interpolationselektrode induzierte Spannung erhöht. Dies ergibt eine größere Empfindlichkeit und Genauigkeit
des Systems. Um die Einzelelektroden der Reihe in der gewünschten Weise an die Wechselspannung
anschließen zu können, sind Schaltmittel vorgesehen, die die Spannungsverteilung entlang der
Reihe der Einzelelektroden — soweit nötig — zu ändern gestatten. Vorzugsweise erhalten nur zwei benachbarte
Elektroden eine Wechselspannung gegeneinander, und um mit der Interpolationselektrode
eine Messung über die gesamte Länge der Elektrodenreihe durchführen zu können, sind Schaltvorrichtungen
vorgesehen, die die Einzelelektroden, an die die Spannung angelegt werden soll, auszuwählen gestatten.
Eine derartige Anordnung ist bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet. Wie
man sieht, ist jede der Einzelelektroden IOa bis 10/ jeweils mit dem beweglichen Kontakt eines einfachen
ao Umschalters IIa bis 11/ verbunden. Die festen Kontakte des Schalters sind mit den Anschlüssen einer
Wechselspannungsquelle 12 verbunden. In die Zuführungsleitung zu den Einzelelektroden ist jeweils
eine Sekundärwicklung 19 a bis 19/ eines Transformators angeordnet, dessen Primärwicklung 19g
auch an die Stromquelle 12 angeschlossen ist. Eine solche Anordnung kann nach einem anderen älteren
Vorschlag des Erfinders dazu dienen, jeweils eine individuelle Korrektur der an die Einzelelektroden
der Reihe angelegten Spannungen zu ermöglichen. Durch Einstellen der Schalter IIa bis 11/ wird die
gesamte Spannung der Stromquelle 12 zwischen zwei benachbarten Einzelelektroden angelegt. Bei den in
F i g. 1 gezeigten Schalterstellungen liegen die Einzelelektroden 10 a, 10 b und IOc alle auf einem ersten
Potential und die übrigen Einzelelektroden 10 d, 10 e
und 10/ auf einem zweiten Potential, während zwischen den Einzelelektroden 10 c und 10 d das größte
Feld existiert, in dem bei dieser Stellung der Schalter llabisll/ die Interpolationselektrodell liegen soll.
Die in der Interpolationselektrode 11 induzierte Spannung wird mit einem von der Stromquellenspannung
abgeleiteten Bezugspotential verglichen. Daher sind Vorrichtungen vorgesehen, durch die ein
Bezugspotential mit einem hohen Grad an Genauigkeit erzeugt werden kann. Für diesen Zweck gibt es
eine Vielzahl von geeigneten Vorrichtungen.
Eine zweckmäßige Anordnung, die aus einer Anzahl von Spannungsteilerstufen 14,15,16 besteht, ist
in vereinfachter Form in Fig. 1 dargestellt. Die Spannungsteilerstufen 14 können beispielsweise aus
einem mit Anzapfungen versehenen Wirk- oder Blindwiderstand bestehen, wobei zwischen den einzelnen
Anzapfungen eine bestimmte Spannung auftritt. Die Spannungsteilerstufe 15 entspricht der Stufe
14, an ihren Enden liegt jedoch nur eine Spannung, die einen Bruchteil der an den Spannungsteilerstufen
14 auftretenden Spannung ausmacht. Sie besitzt daher entsprechend feinere Stufen. Wenn, wie im vorliegenden
Fall, an jedem Spannungsteiler zehn Stufen vorgesehen sind, entstehen Dekadenstufen, wobei der
mit jedem Impedanzelement verbundene Schalter Stufen von Vio der an der unmittelbar vorhergehenden
Stufe liegenden Spannung schaltet. Um eine Bezugsspannung mit der gewünschten Genauigkeit zu
erzeugen, können Stufen in der erforderlichen Anzahl vorgesehen werden. Die letzte Stufe 16 besitzt einen
Anzapfungspunkt 17, der das Bezugspotential liefert.
Claims (4)
1. Kapazitiver Meßumformer mit einer Mehrzahl von in einer Reihe angeordneten Einzelelektroden,
mit einer Versorgungseinrichtung zum Anlegen einer Wechselspannung an die Reihe von Einzelelektroden, ferner mit einer relativ zur
Elektrodenreihe bewegbaren Interpolationselektrode, die durch das elektrische Feld der Einzelelektroden
mit einer der Relativstellung der Interpolationselektrode zu den Einzelelektroden entsprechenden
Spannung kapazitiv beaufschlagt wird, und mit Schaltmitteln zum Verändern der entlang der Elektrodenreihe herrschenden Spannungsverteilung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von Einzelelektroden (10 a bis 10/) zwei auf verschiedenem Potential liegende
GiTippen (10 a, 10 b, 10 c und 10 d, 10 e, 10/) jeweils derart elektrisch leitend verbundene
Elektroden enthält, daß nur zwischen den nebeneinanderliegenden beiden Elektroden (10 c, 10 d)
der Elektrodengruppen eine Potentialdifferenz auftritt, und daß Schaltmittel (IIa bis 11/; 21a
bis 21/) zum Trennen und Schließen der Verbindungen zwischen den Einzelelektroden untereinander
oder zwischen den Einzelelektroden und der Spannungsquelle (12) derart vorgesehen sind,
daß der Ort der Potentialdifferenz entlang der Elektrodenreihe verschiebbar ist.
2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelektroden (10 a
bis 10/) an einen oder mehrere Spannungsbegriffe einer oder mehrerer Spannungsquellen (12) anschließbar
sind.
3. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel aus mit einer
festen Kontaktreihe (20) kontaktgebenden, entlang der festen Kontakte beweglichen Reihe entsprechender
Kontakte (21a bis 21/) bestehen und daß die beweglichen Kontakte (21a bis 21/) jeweils
mit den Einzelelektroden (10 a bis 10/) ver-
bunden sind und die festen Kontakte (20) zu Grappen zusammengeschlossen an verschiedene
Potentiale angelegt sind.
4. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Elektroden
(10a, 10 b; 10 b, IOc usw.) verbindende Schalter (22) vorgesehen sind, wobei die Gruppenauftei-
lung durch öffnen des zwischen den entsprechenden beiden Einzelelektroden (10 c, 10 d) befindlichen Schalters erfolgt, und daß die gebildeten
Elektrodengruppen zur Erzeugung der Potentialdifferenz zwischen den nebeneinanderliegenden
Elektrodengruppen an ein unterschiedliches Potential angelegt sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
709 679/244 10.67 © Bundesdruckerei Berlin
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB1252915X | 1963-01-23 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1252915B true DE1252915B (de) | 1967-10-26 |
Family
ID=10885680
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DES89178A Pending DE1252915B (de) | 1963-01-23 | 1964-01-22 | Kapazitiver Messumformer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE1252915B (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3436681A1 (de) * | 1983-10-27 | 1985-05-09 | Mitutoyo Mfg. Co., Ltd., Tokio/Tokyo | Kapazitives verschiebungsmessgeraet |
-
1964
- 1964-01-22 DE DES89178A patent/DE1252915B/de active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3436681A1 (de) * | 1983-10-27 | 1985-05-09 | Mitutoyo Mfg. Co., Ltd., Tokio/Tokyo | Kapazitives verschiebungsmessgeraet |
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