DE2137545A1 - Gegen Umwelteinflusse geschütztes, kapazitives Hochprazisionsmeßsystem oder Messer - Google Patents

Description

PctcntaiT'-'clf

Karl A. ϊ) rose

D-8023 InJ.!.;.,,! - Puüach
WiettersSr.2.TÄ;n.7i3ü57O.; 931782

vln/Fo München-Pullach, 26. Juli 1971

ADE CORPORATION, 50 Hunt Street, Watertown, Massachusetts 02172, USA

Gegen Umwelteinflüsse geschütztes, kapazitives Hochpräzisionsmeßsystem oder Messer

Eine äußerst genaue und automatische kontaktlose Ausdehnungsoder Entfernungsmessung erlangt für industrielle Anwendungen heutzutage immer mehr an Bedeutung, und zwar insbesondere dort, wo Änderungen entsprechend kleiner Teile eines Inch gemessen werden sollen.

Dort, wo Metallbleche, Lager oder andere Flächen in sehr engen Abmaßtoleranzen hergestellt werden, ist es oft erforderlich, den Formprozeß oder fertiggestellte Produkt zu überwachen und zwar im Werdegang oder im Einklang mit dem Abmaßawaag bzw. Toleranzen. Die gleiche Steuerung ist auch bei der Herstellung von dielektrischen oder nicht leitenden Formen erforderlich. Häufig sind Schwankungen von Bruchteilen eines Tausendstel Zoll oder noch weniger ausschlaggebend»

Obwohl eine Überwachung dieser Abmaße heutzutage möglich ist₉ sojist dieser Vorgang doch sehr kostspielig, insbesondere dann, wenn große Flächen oder Zonen überwacht werden müssen,, Dies macht eine labormäßige Ausrüstung bzw. technisch als auch zeitmäßig aufwendigen Prüfungsaufbau erforderlieh, eine Eichung

209889/1079

der Prüfeinrichtung und ebenso eine Beanspruchung von Fläche erforderlich. Das Bedürfnis der Industrie besteht in einem automatischen, äußerst genauen Ziffernanzeige-Messer, der seine Genauigkeit auch bei sich ändernden Umweltbedingungen und sich ändernden Anwendungen beibehält. Ein derartiger Messer oder Meßsystem muß ausreichend flexibel sein, damit man das System in einem breiten Anwendungsbereich verwenden und entsprechend anpassen kann, damit man also Entfernungsmessungen über kleine Flächen zwischen der Fläche und der k Meßeinrichtung vornehmen kann, man aber auch damit große Flächen für Abmaßtoleranzen erfassen bzw. abtasten kann.

Es ist bekannt, daß man die Kapazitätsänderung zwischen einer Elektrode und einer Fläche dazu verwenden kann, eine Anzeige über die Entfernungsänderung zwischen der Elektrode oder Sonde und der Fläche zu liefern. Dieses Gebiet wurde erschlossen, es fehlt ihm jedoch an Genauigkeit, Flexibilität und Wiederholbarkeit, was jedoch das erfindungsgemäße System bietet.

Einige der bei bekannten Ausführungsformen auftretende Probleme bestehen in großen Streukapazitäten und in thermisch oder ' umweltbedingten Änderungen dieser Kapazitäten. Durch diese Änderungen wurden große Schwankungen in den elektrischen Ausgangssignalen hervorgerufen und zwar der Ausgangssignale von Schaltungsanordnungen, die mit einer Sonde oder Elektrode arbeiten, obwohl keine kapazitive Änderung auftrat bzw. abgetastet wurde. Das Ausmaß der bekannten Elektroden oder Sonden war demzufolge auf minimale Abmaße beschränkt, so daß sie für viele Anwendungsfälle ungeeignet waren. Darüberhinaus verursachten bekannte derartige Einrichtungen mit einer Erregung der Sonde oder Elektrode, wobei eine herkömmliche Brückenschaltung zur Anwendung gelangte, unterschiedliche Schwan-

209809/1079

kungen und unterschiedliche momentane Spannungen, die an den internen kapazitiv ansprechbaren Elektroden erschienen. Dieser Erregungstyp begünstigte eine Wechselwirkung zwischen den Elektroden, was als Begleiterscheinung ein unstabiles Verhalten mit sich brachte, so daß also derartige bekannte Systeme in ihrer Verwertbarkeit eingeschränkt sind.

Verwendet man eine Kapazität zum Messen von Entfernungsschwankungen zwischen einer Elektrode und einer Fläche oder zum Messen von Schwankungen einer Kapazität, durch Beeinflussung derselben durch Zwischenschieben einer Substanz zwischen Elektrode und Fläche, so können Schwankungen in anderen Parametern die gemessene Kapazität beeinflussen, was zu einer fehlerhaften Anzeige führt. Um die durch diese Schwankungen in den unerwünschten Parametern bewirkten Fehler zu kompensieren, kann man zusätzlich Elektroden hinzufügen, um Kapazitätsschwankungen zwischen diesen Elektroden und der Fläche zu messen, wobei diese kapazitiven Schwankungen auf unterschiedlichste Weise durch Änderungen in den Parametern, die diese Kapazitäten beeinflussen, erzeugt werden können. Die resultierende Vielzahl an Beziehungen zwischen einer Vielzahl von veränderlichen Parametern gestattet eine unabhängige Isolation oder Eliminierung derselben.

Der Gedanke nach der vorliegenden Erfindung basiert im wesentlichen auf dem Bedürfnis, bekannte aus zwei Kapazitätselektroden bestehende Abtastsonden zu verbessern, die nicht dazu in der Lage waren, die gewünschten Genauigkeiten beim Abtasten der Kapazität zwischen denselben und einer Fläche zu erreichen oder beizubehalten. Die aus zwei kapazitiven Elektroden bestehende Abtastsonde nach der vorliegenden Erfindung ist nicht mehr mit den Nachteilen gemäß dem Stand der Technik behaftet und sie erreicht die gewünschte konsistente Genauigkeit.

209809/1079

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kapazitätssonde zum Abtasten der Kapazität zwisehen dieser Sonde und einer Fläche zu schaffen, die einen hohen Grad an anfänglicher Genauigkeit beim Feststellen dieser Kapazität und beim Feststellen von Schwankungen derselben erreicht.

Ebenso ist es Ziel der Erfindung, eine Kapazitatssonde zum Abtasten der Kapazität zwischen dieser Sonde und einer Fläche zu schaffen, die einen hohen Grad an Genauigkeit bei der Messung dieser Kapazität und bei der Messung von Schwankungen, auch bei Umwelteinflüssen, beibehält.

Speziell ist es Aufgabe der Erfindung eine kapazitive Sonde zum Abtasten der Kapazität zwischen dieser Sonde und einer Fläche zu schaffen, die den Einfluß eines durch das Vorhandensein von fremdem Material oder Verunreinigungen in der Umgebung der Sonden induzierten Fehlers eliminiert.

Auch schafft die vorliegende Erfindung eine kapazitive Sonde zum Abtasten der Kapazität zwischen dieser und einer Fläche, die entweder für die Elektroden eine dielektrische Abstützung oder Halter oder eine Ummantelung für die Meßelektrode aufweist, die für fremdes Material oder fremde Teilchen undurchdringbar ist und diese nicht absorbiert bzw. Verunreinigungen aus der Umgebung der Sonde nicht absorbiert.

Durch die vorliegende Erfindung soll auch eine kapazitive Sonde zum Messen der Kapazität zwischen dieser und einer Fläche geschaffen werden, bei der die Erregerschaltungsanordnung für die Elektroden der Sonde so ausgelegt ist, daß der Einfluß von unerwünschten Einflußgrößen aus der Umgebung der Sonde minimal gehalten wird.

209809/1079

Speziell sucht die Erfindung auch eine kapazitive Sonde zum Messen der Kapazität zwischen dieser Sonde und einer Fläche zu schaffen, "bei der die Erregerschaltungsanordnung für die Sonde ein Ausgangssignal vorsieht, dessen mittlere Schwankung von einem Masse- oder gemeinsamen Bezugspotential das kennzeichnende Merkmal für die Kapazitätsänderung, die gemessen werden soll, ist.

Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, eine kapazitive Sonde zum Messen der Kapazität zwischen dieser und einer Fläche zu schaffen, die in herkömmlicher Weise geschützt werden kann, damit die grundlegende theoretische Beziehung zwischen der Kapazität und dem Abstand zwischen messender Elektrode und Fläche beibehalten werden kann.

Auch hat sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine kapazitive Sonde zum Messen der Kapazität zwischen dieser Sonde und einer Fläche zu schaffen, bei der eine Vielzahl von Meßelektroden zur Anwendung gelangen, um eine Vielzahl von Parametern, die die Kapazität zwischen Sonde und der Fläche beeinflussen, so zu erfassen bzif« abzutasten₉ daß eine elektronische Verarbeitung zum Trennen der Parameter bzw. jedes Parameters möglich ist.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung besteht eine kapazitive Sonde aus einem elektrisch leitenden zylindrischen Gehäuse, welches Meß- und Abgleichelektrodea oder Elektrodenspitzen enthält oder umschließt, wobei diese Elektroden in dem Gehäuse zentral angeordnet sind und gegeneinander axial versetzt sind, dabei jedoch dicht beieinaa= der längs einer zentralen Ach-se des Gehäuses angeordnet sind» Die Meßelektrode ist an einem offenen Ende des Gehäuses aageordnet^ so daß sie relativ zu einer elektrisch leitenden fläche entsprechend einem üblichen Kapazität erzeugenden Abstand

20980 9/1079

zum Abtasten der Kapazität zwischen dieser Meßelektrode und der Fläche angeordnet werden kann. Jede Elektrode ist im wesentlichen identisch mit der anderen aufgebaut und zwar nach Art einer relativ dünnen Plattenform oder Scheibenform» Jede Elektrode ist dielektrisch innerhalb dem Gehäuse gehaltert, wobei die Abstände über das Dielektrikum zwischen dem Umfang jeder Elektrode und dem nächstgelegenen Punkt oder Punkten am Gehäuse, die elektrisch leitend sind, eingehal~ ten werden, wobei diese elektrisch leitenden Punkte Ringe oder Bänder sein können, die sich von innerhalb des Gehäuses zur Elektrode hin erstrecken. Jede Anordnung, die eine Elektrode, ein dielektrisches Halteteil und einen Ring oder Band enthält, ist so ausgelegt, daß sie einen homogenen Temperaturausdehnungskoeffizienten und eine dünne Form oder Gestalt aufweist, um die Kapazitätsschwankungen zwischen dem Gehäuse und jeder Elektrode aufgrund von Umwelteinflüssen, inklusive Temperatureinflüssen, minimal zu gestalten und zu steuern. Weiterhin hält die Erregung von der Impedanz messenden Schaltung für jede Elektrode das momentane elektrische Potential auf jeder Elektrode auf nahezu dem gleichen Wert, so daß jede Elektrode teilweise die andere überwacht oder schützt, so daß sie dicht aneinandergepackt werden können, ohne sich dabei gegenseitig zu beeinflussen. Diese Konstruktion erlaubt ferner bestimmte Abmaße innerhalb sehr enger Toleranzen beizubehalten, während andere Toleranzen weniger eng aufrechterhalten werden, so daß durch diese Ausführung die gesamte Sonde eine Verbesserung der engen Toleranzen oder genauen Einhaltung der engen Toleranzen eine Verbesserung erzielt wird.

Der Grad an Genauigkeit, der durch die Sonde nach der Erfindung erzielt wird, hat die Auswahl von Dielektrikas zum Haltern der Elektroden erforderlich gemacht, die speziell für fremdes Material oder fremde Teilchen undurchdringbar sind

209809/1079

— Π _

und dieses nicht absorbieren und insbesondere auch nicht Verunreinigungen aus der Umgebung der Sonde aufnehmen oder hindurchlassen. Wenn man kein Dielektrikum mit niedriger Absorptionsfähigkeit wählt, so hat man festgestellt, daß geringste absorbierte Hengen einen fehlerhaften Betrieb der Sonde bewirken können und die Kapazität zwischen Gehäuse und Elek-Iroden verstimmt wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist jede Elektrode in Form eines elektrisch leitenden Niederschlages auf einer dielektrischen Masse oder Substanz ausgebildet und von einem elektrisch leitenden Band, welches ebenso auf der Masse oder der Substanz aufgetragen ist, umgeben. Eine Ausnehmung oder ein Loch kann dazu verwendet werden, um das Innere oder die Abgleichelektrode innerhalb dem Gehäuse zu perforieren, um einen Teil des Randfeldes, welches die Abgleichelektrode beeinflusst, in eine Zone hindurchzulassen, in welcher dieses Feld die Meßelektrode beeinflussen kann.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein Schutzring entweder als zweiter innerer, dielektrisch im Abstand angeordneter Leiter am Gehäuse vorgesehen sein, oder dieser Ring kann in Form eines umgebenden, elektrisch leitenden Niederschlages auf der Masse oder der Substanz vorgesehen sein. Der Schutzring wird auf nahezu der gleichen Spannung wie jede Elektrode gehalten und zwar durch Erregung von der Impedanz-Meßschaltungsanordnung. Der Schutzring erhöht den effektiven dynamischen Bereich des Abstandes bzw. der Kapazität, der oder die zwischen der Meßelektrode und der Fläche gemessen werden kann, vermindert die Kapazitäten zwischen Gehäuse und Elektroden und/oder gestattet eine Anordnung der erregenden und Impedanz messenden Schaltungsanordnung entfernt von der kapazitiven Sonde, so daß also diese Schaltungsanordnung

209809/1079

nicht in einem Gehäuse direkt bei oder neben der Sonde aufgenommen werden braucht.

Eine Ausführungsform mit vielen Elektroden ist ebenso möglich und diese weist verschiedene Sätze an Meßelektroden auf und in vorteilhafter Weise eine identische Abgleichelektrode, die hinter jeder Meßelektrode, innerhalb eines Gehäuses, gelegen ist. Insbesondere dort, wo ein dielektrischer Streifen über eine Bahn zwischen den Meßelektroden und einer Fläche bewegt wird, und wo es erwünscht ist, Schwankungen in der Breite des Streifens zu erfassen, sind drei, vier oder fünf Elektrodensätze verwendet, um drei, vier oder fünf unterschiedliche Kapazitätswerte abzutasten, die sbh mit der Breite des Streifens bzw. Dicke des Streifens ändern, ebenso sich mit der Dielektrizitätskonstanten und dem Abstand zwischen der Sonde und der Fläche ändern. Jede Kapazität bzw. Kapazitätswert hängt von diesen Parametern in einer unterschiedlichen Weise ab, so daß verarbeitende elektronische Schaltungen durch Eliminierung von Schwankungen in anderen Dimensions-Kapazitäten isolieren können.

Die jeder Sonde zugeordnete Impedanz messende Schaltungsanordnung weist einen Oszillator auf, der den zwei Gleichspannung blockierenden Impedanzζweigen eine Wechselstromerregung zuführt, wobei diese Zweige an gegenüberliegende Verbindungspunkte eines Diodenringes angeschlossen sind. Die verbleibenden zwei gegenüberliegenden Verbindungspunkte zwischen den Dioden sind jeweils an die Meß- und Abgleichelektroden angeschlossen. Die Wechselstromrückführung erfolgt über das Gehäuse als Masseleitung zum Oszillator. Eine Gleichspannungsrückführung und Anzeigeschaltung mit einer in Reihe geschalteten Induktivität und einem Gleichspannungsmesser zeigt eine Gleichspannungsabweichung an, die für den Grad der Unab-

209809/1079

geglichenheit in der Kapazität nach Masse zwischen den Meß- und Abgleichelektroden kennzeichnend ist;

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine teilweise schematische vertikale Schnittdarstellung einer grundlegenden Ausführungsform einer Sonde und einer Erreger-Ringschaltung',

Fig. 2 eine teilweise schematische vertikale Schnittdarstellung einer Sonde und einer Schaltungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3A und 3B Schnittdarstellungen zweier Ausführungsformen der Sonde, die für die Konstruktion gemäß Figur 2 geeignet sind;

Fig. 4- eine Schnittdarstelling einer Sonde mit einer abgewandelten Sonden-Spitzenanordnung;

Fig. 5 eine teilweise schematische Schnittdarstellung einer abgewandelten Sonde, mit einem vollständigen Gehäuse und einem fertig herstellbaren Einschub j

Fig. 6 eine Schnittdarstellung einer weiteren abgewandelten Ausführungsform einer Son-= de, wobei eine Metallniederschlagstech=· nik angewandt ist;

209809/1079

Fig. 7 eine Schnittdarstellung einer kapazitiven Sonde gemäß dem Typ nach "Figur 6, Jedoch mit einer abgeänderten Sonden-Spitzenanordnung;

Pig. 8 eine teilweise schematische Schnittdarstellung einer kapazitiven Sonde mit Schutzeinrichtungen;

Fig. 9 eine Schnittdarstellung einer Teilsonde mit Schutzeinrichtungen, die mit Hilfe von Metall-Niederschlagstechniken erzeugt wurden;

Fig. 10 eine abgewandelte Anordnung von Sondenspitzen der Konstruktion nach Figur 9;

Fig. 11 ein Teilblockschaltbild und eine teilweise schematische Schaltung oder Stromlauf einer Impedanz messenden Schaltung oder Drücke, die mit der Kapazität einer kapazitiven Sonde zusammenwirkt;

Fig. 12 ein Blockschaltbild der Schaltung, die zum Verarbeiten der Ausgangsgröße einer kapazitiven Sonde für eine direkte Entfernungsanzeige verwendet wird;

Fig. 13 eine Schnittdarstellung einer aus mehreren Elektroden bestehenden kapazitiven Sonde, die zum Abtasten der Breite eines dielektrischen Streifens verwendet werden kann;

2098 0 9/1079

Fig. 14 eine Schnittdarstellung nach der Linie 14 - 14 der Figur 13;

Fig. 15 eine schematische Schnittdarstellung einer kapazitiven Sonde mit vielen Elektroden, die zum Abtasten der Entfernung, der Breite und der Dikke eines dielektrischen Streifens verwendet werden kann;

Fig. 16 ein Blockschaltbild und schematischer Stromlauf einer verarbeitenden Schaltungsanordnung für die kapazitiven Sonden gemäß Figuren 13» 14 und 15_? wobei eine Vielzahl von Anschlüssen gezeigt sind, die miteinander auf vielfältige Weise verbunden werden können?

Fig. 17a, b und c, andere Verbindungssysteme für die Anschlüsse der Figur 16;

und

Fig. 18 ein Blockschaltbild und schematischen Stromlaufplan einer abgewandelten verarbeitenden Schaltung für die kapazitive Sonde gemäß Figuren 13 und 14.

Figur 1 zeigt teilweise schematisch eine Schnittdarstellung einer kapazitiven Sonde mit zylindrischen, elektrisch leitenden Sondenspitzen 14 und 16, die durch ein zylindrisches dielektrisches Abstandsteil 22 im Abstand zueinander gehalten sind. Die Spitze 16 weist einen größeren Radius als die Spitze 14 auf und das Abstandsteil 22 weist den kleinsten Radius von den drei Teilen auf. Anfänglich ist die Sondenspitze 14 in

0 9809/1079

axialer Richtung wesentlich länger als dies in Figur 1 veranschaulicht ist, die die endgültige Form der Spitze zeigt. Die anfängliche Anordnung oder Kombination der zwei Spitzen werden dann elektrisch an gegenüberliegende Verbindungspunkte eines in Reihe geschalteten Diodenringes 30 vermittels elektrischer Leitungen 28 und 32 angeschlossen, die jeweils mit den Spitzen 14 und 16 Kontakt haben. Diese gesamte Anordnung wird dann in ein elektrisch leitendes Gehäuse 12 und eine innere dielektrische Hülse 20 eingeschoben, wo sie dann mit fc Hilfe irgendeiner herkömmlichen Einfaßmasse oder Ausfüllmischung in Lage gehalten wird. Ein offen-es Ende 24 des Gehäuses 12 weist eine Zone mit vergrößertem Durchmesser 26 auf, um sich der Spitze 14· mit größerem Radius anzupassen. Das offene Ende 24 und die Spitze 14 werden dann bearbeitet, bis Gleichheit in den Kapazitätswerten zwischen dem Gehäuse 12 und jeweils den zwei Spitzen 14 und 16 besteht. Zwei elektrische Leiter 38 sind an die verbleibenden zwei Verbindungspunkte des Ringes 30 angeschlossen, sind durch das Gehäuse 12, abseits vom offenen Ende 24, geführt und sind schließlich an eine weitere Schaltungsanordnung angeschlossen.

Die Vorzüge der neuen kapazitiven Sonde können besser aus einer Beschreibung der besonderen Merkmale verstanden werden, wie sie teilweise in der vertikalen Schnittdarstellung und teilweise in der schematischen Schaltungsanordnung gemäß Figur 2 veranschaulicht sind. Wie dort gezeigt ist, so endet ein zylindrisches elektrisch leitendes Gehäuse oder Zylinder 40 in einem offenen Ende 42. Erste und zweite kapazitive Sonden-Spitzenanordnungen 44 sind allgemein planar geformt und sind in eine innere Wand 46 des Zylinders 40 eingepasst, senkrecht zu einer Achse des Zylinders 40. Die Form der inneren Wand 46, in einer Ebene senkrecht zur Achse des Zylinders 40, kann auf irgendeine Weise ausgebildet sein, ist jedoch

209809/1079

normalerweise quadratisch, rechteckig oder kreisförmig, wie dies die Figuren 3A und 3B zeigen. Die äußeren Umfangskanten der Anordnungen 44 weisen eine zugeordnete bzw. entsprechende Größe und Gestalt auf, um einen festen und guten Sitz in der inneren Wand 46 zu gewährleisten.

Die erste Sondenspitzenanordnung in der inneren Wand 46 ist am offenen Ende 42 gelegen und sie verschließt das Ende des Zylinders 40 und zwar gegen eine innere Zone 48. Die erste ( Sondenspitzenanordnung besteht aus einer ersten elektrisch leitenden scheibenförmigen Elektrode oder Spitze 50, die derart angeordnet ist, daß die Flächen der scheibenförmigen Spitze senkrecht zu einer zentralen Achse ^2 des Zylinders 40 verlaufen, wobei die Umfangsfläche 54· der Spitze 50 parallel zur Achse 52 verläuft und darüberhinaus einen im v/esentlichen gleichen Abstand von der inneren Wand 46 des Zylinders 40 an allen Stellen aufweist. Die erste Sondenspitzenanordnung besteht weiter aus einem dielektrischen Eing 56, der den Umfang 54- der Spitze 50 umgibt und als dielektrischer Spalt zwischen der Spitze 50 und einem elektrisch leitenden Eing 58 dient, der seinerseits den Außenumfang des dielektrischen Ringes 56 umgibt und sich radial so weit erstreckt, ™ daß er elektrischen Kontakt mit dem Zylinder 40 hat.

Während der Herstellung der ersten Sondenspitzenanordnung wird eine sehr kleine Henge einer biegsamen Substanz, wie beispielsweise Iötmetall als Füllmasse 60 zwischen die Eon=* taktpunkte der Spitze 50, dem Ring 56, dem Eing 58 und dem Zylinder 40 angeordnet. In typischer Weise kann das Füllmaterial 60 nur zwischen dem Sing ^B und dem Zylinder 40 angeordnet werden, um dem unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten Rechnung zu tragen und um einen guten elektrischen Kontakt längs der Flächen zwischen diesen Elementen

*"? Π O Λ ti **, -t ·"> 'Tl "^ Pr

während dem Entstehen von Spannungen zu gewährleisten, die durch Umgebungseinflüsse hervorgerufen werden können. Sollen die Spitze 50, der Ring 56 und der Sing 58 nicht durch ein Füllmaterial 60 aneinandergebunden werden, so kann auch zum Binden derselben Fusionstechnik herangezogen werden.

Die zweite Sondenspitzenanordnung ist im wesentlichen identisch mit der ersten Sondenspitzenanordnung und sie ist zwischen der inneren Wand 46 des ZyInders 40, innerhalb der Zone 48 und abgesetzt vom offenen Ende 42 in Lage gebracht und stößt gegen eine Abstandshülse 62. Ein dielektrischer Ring 66 ist zwischen einem Ring 64 und einer Spitze oder Elektrode 68 der zweiten Anordnung in gleicher Weise wie bei der ersten Anordnungin Lage gebracht. Auch hier kann Füllmaterial 60 an die Eontakt st eilen zwischen dem Zylinder 40, Ring 64, Ring 66 und Spitze 68 hinzugegeben werden, oder nur zwischen dem Zylinder 40 und dem Ring 64.

Eine Öffnung 70 geht durch die Spitze 68 parallel zur Achse 52 hindurch, so daß ein elektrischer Leiter 72, der elektrischen Kontakt mit der Spitze 50 hat, dort hindurchgeführt werden kann und zwar zu einer Diodenmatrix 74, die auf der gegenüberliegenden Seite der zweiten Sondenspitzenanordnung gelegen ist. Ein elektrischer Leiter 76 verbindet die Spitze 68 mit der Diodenmatrix 74. Die Diodenmatrix 74 besteht aus in Reihe geschalteten Dioden 78, die in Leitungsrichtung geschaltet sind, um einen geschlossenen Strompfad zwischen den elektrischen Leitern 72 und 76 zu schaffen, die an gegenüberliegende Verbindungspunkte zwischen den Dioden 78 angeschlossen sind. Von den anderen zwei Verbindungspunkten gehen von dem Strompfad elektrische Leiter 82 und 84 ab und führen zu einer GleiGhspannungsabtrennimpedanz oder zu kapazitiven Zweigen 86 und 88. Bei der Ossiilatorfrequenz bei 90 ist

209809/1079

die Impedanz der Kapazitäten 86 und 88 typisch, jedoch nicht notwendigerweise, um eine Größenordnung kleiner als die kapazitive Impedanz zwischen dem Zylinder 40 und den Spitzen 68 und 50. Die gegenüberliegenden Anschlüsse der Kapazitäten 86 und 88 werden gemeinsam von einem Oszillator 60 gespeist, dessen anderer Anschluß elektrisch mit dem Zylinder 40 verbunden ist, der beispielsweise auf Masse liegen kann. Der Oszillator 90 sieht eine Wechselstromerregung vor, die auf Masse oder Erde bezogen ist.

Zwei Anzeigeschaltungen92 bestehen je aus einer Induktivität 94 und einem Anzeigegerät 96, die in Seihe geschaltet sind, um Gleichspannungssignale nach Masse oder Erde zu leiten und zwar jeweils von den Leitern 82 und 84.

Eine Feuchtigkeits undurchlässige Abdeckung 98 ist abwechselnd über das offene Ende 42 des Zylinders 40 und die äußere Fläche der ersten Sondenspitzenanordnung angeordnet und ist gegen den Zylinder 40 an seinem Ende 42 und bestmöglich zur Anordnung 44, die die Spitzen 50 enthält, abgedichtet.

Die kapazitive Sonde, die zuvor beschrieben wurde, kann sehr vorteilhaft zum Messen von Abständen zwischen der äußeren Fläche der Spitze 50 und einer geerdeten leitenden Fläche 100 verwendet werden, indem man durch die Anzeigeeinrichtung 92 die Differenz zwischen der Kapazität der Spitze 50 nach Masse relativ zur Kapazität der Spitze 68 erfasst. Zu diesem Zweck wird die Fläche 100 normalerweise parallel zur äußeren Fläche der Spitze 50 angeordnet und die gesamte Sonde wird in einer nicht gezeigten Konstruktion befestigt, die dann die Lage der Spitze 50 aufrecht erhält und eine Bezugsgröße zum Messen des Abstandes zwischen der Spitze 50 und der Fläche 100 vorsieht.

209809/10 79

Die in Figur 2 schematisch gezeigte Schaltung arbeitet in der Weise, daß die Erregergröße, die vom Oszillator 90 in die zwei kapazitiven Zweige 86 und 88 eingespeist wird, geteilt wird. Die Diodenmatrix 74-, die aus vier Dioden-zweigen besteht, steuert weiter die Erregergröße, die durch jeden kapazitiven Zweig 86 und 88 fließt, so daß während einer Halbwelle einer gegebenen Polarität der Erregergröße, diese Polarität von jedem Zweig 86 und 88 zu den getrennten Spitzen 50 und 68 geleitet wird, und dann über den Zylinder 40 und die

^ Fläche 100 nach Masse geleitet wird. Während der folgenden Halbwelle entgegengesetzter Polarität führt die Diodenmatrix 74 einen Schaltvorgang in den Erregerzweigen durch, so daß die Erregung über die Zweige 86 und 88 jeweils zur anderen Spitze der Spitzen50 und 68, im Gegensatz zur vorangegangenen Halbwelle, geleitet wird. Über wiederholte Halbwellen aus dem Oszillator 90 weisen die Leiter 82 und 84 einen geringen Gleichspannungsabstand oder eine mittlere Spannung auf und/oder Stromsignal zusätzlich zu einer großen Wechselstromkomponente auf. Das Ausmaß oder die Größe dieses Abweichungssignals zeigt die kapazitive Differenz zwischen Masse und den Spitzen 50 und 68 an. Die Wechselstromkomponente wird durch die Induktivitäten 94 ausgefiltert und nur ein Gleichspannungssignal kann zu den Anzeigegeräten 96 gelangen, um eine Anzeige über die kapazitive Unausgeglichenheit zwischen Masse und den zwei Spitzen 50 und 68 zu liefern.

Da die Anzeigegeräte 92 relativ zu einer Null-Bezugsgröße messen und nur die Abweichungskomponente hindurchgelangen kann, kann die Erregung des Oszillators 90 sehr groß gemacht werden, um die Empfindlichkeit der Sonde zu erhöhen, ohne dabei kostspielige und genaue Bezugsschaltungen verwenden zu müssen.

Wie bereits erwähnt wurde, so ist die kapazitive Reaktanz der

209809/1079

213754

Zweige oder Kapazitäten 86 und 88 gewöhnlich um wenigstens eine Größenordnung kleiner als die kapazitive Reaktanz zwischen dem Zylinder 40 und den Spitzen 50 und 68» In diesem Fall ist zu jedem Zeitpunkt die Spannung an den Kapazitäten 86 und 88 sehr klein und die Spannung auf den Leitern 72 und 76, die zu den Spitzen 50 und 68 geführt wird, ist im wesentlichen gleich der Spannung aus dem Oszillator 90» Der mittlere Spannungswert auf den Leitern 82 und 84- "befindet sich sehr nahe bei Masse oder bei ETuIl, verglichen mit dem quadratisch en Mittelwert oder Effektivwert der Spannung aus dem Oszillator 90. Die resultierende beinahe Gleichheit in den Spannungen an den Spitzen 50 und 68 und deren konstruktive Beziehungen, wie an früherer Stelle geschildert, ermöglicht es, daß die Spitzen als kapazitive Schirme oder Schutzvorrichtungen gegeneinander wirken und dicht gedrängt angeordnet- iferden können, ohne sich zu beeinflussen* Eine von der Umwelt hervorgerufene Änderung, die eine Spitze beeinflußt, erzeugt eine ähnliche Wirkung auf beide Kapazitäten zwischen dem Zylinder 40 und den Spitzen 50 und 68, so daß die Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse dadurch erhöht wird»

Durch eine genaue Bearbeitung der Sondenspitzenanordnungen 44- lassen sich weitere unerwartete Verbesserungen in der Unempfindlichkeit der Sonde gegen Umwelteinflüsse erzielen, so daß also eine Ungleichheit der Kapazitätswerte zwischen dem Zylinder 40 und den Spitzen 50 und 68 beseitigt wird» Jede Sondenspitzenanordnung 44 kann als Koaxial-Kapazität betrachtet werden, bei der die axiale Länge der Kapazität kurz im Vergleich zur Eadiusdifferenz des inneren und des äußeren Leiters ist. Bei der gewöhnlichen Koaxial-Kapazität ist der Kapazitätswert eine direkte Funktion der axialen Länge der Kapazität und eine umgekehrte Funktion des Logarythmus des Verhältnisses der Radien des inneren und des äußeren Leiters.

Das Randfeld wird normalerweise vernachlässigt. Wenn der innere und der äußere Leiter und das dielektrische Material zwischen diesen so ausgewählt und ausgelegt wird, daß sich gleiche Temperaturausdehnungskoeffizienten ergeben, dann verändert eine Temperaturänderung in der Koaxial-Kapazität nicht das Verhältnis der Radien des inneren und des äußeren Leiters, sondern beeinflusst die axiale Länge der Kapazität, so daß dadurch der Kapazitätswert einer derartigen Koaxial-Kapazität sich direkt mit den Temperaturausdehnungskoeffizienten des W Materials ändert, aus dem diese Kapazität hergestellt ist.

Wenn die Höhe oder die axiale Länge der Koaxial-Kapazität so weit vermindert wird, bis die Länge nur einen kleinen Teil der Differenz zwischen den Radien des inneren un-d des äußeren Leiters ausmacht, dann spielt die axiale Länge der Kapazität für den gesamten Kapazitätswert eine untergeordnete Rolle. Der Beitrag der Randfelder auf dem gesamten Kapazitätswert ist wesentlich. Daher kann bei kleinen axialen Längen das Verhältnis der Radien des inneren und des äußeren Leiters zu einem einschneidenderen Faktor für die Kapazitätswerte zwischen dem Zylinder 40 und den Sondenspitzen 50 und 68 gemacht werden. Durch Auswahl von Materialien für die Spitzen und Ringe entsprechend einem gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten, können die Kapazitätswerte bei sich ändernder Temperatur nahezu unveränderlich gehalten werden.

Durch genaue Bearbeitung der im folgenden aufgeführten Abmaße, können die Sondenspitzenanordnungen 44 entsprechend kritischer Abmaße nahezu identisch ausgeführt werden, mit dem Ergebnis, daß sie eine anfänglich gleiche Kapazität bzw. Kapazitätswert mit großer Genauigkeit aufweisen. Diese Gleichheit kann dann über einen großen Temperaturbereich beibehalten werden, was sich aufgrund der geringen Temperaturabhängigkeit,

209809/1079

21 3 ? 5 Λ Ε - 19 -

wie zuvor dargelegt, ergibt. Man erhält dann eine elektronische kapazitive Sonde mit bedeutend verbesserter Genauigkeit und Unabhängigkeit von Umwelteinflüssen.

Die für die Steuerung als besonders wichtig festgestellten Abmaße sind wie folgt:

a) Der Umfang und die axiale Länge des Umfangs der Spitzen 50 und 68 (die axiale Länge ist von untergeordneter Bedeutung, wenn sie sehr klein ist);

b) der Umfang und die axiale Länge der inneren Flächen der Singe 58 und 64; und

c) der Abstand zwischen der inneren Wand der Ringe 58 und 64 und dem Umfang der Spitzen 50 und- 68 entsprechend den dielektrischen Ringen 56 und 66, und die axiale Länge der Ringe 56 und 66, um den Abstand der konzentrischen Kapazität, die zwischen den Ringen und den Spitzen gebildet wird, beizubehalten.

Mit diesen Abmaßen, die sich in einer Toleranz von +. 0.0001 oder +_ 0.0002 Inch bewegen, läßt sich eine Sonde mit hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit erreichen und zwar auf der Grundlage der zuvor geschilderten Theorie und Wirkungen. Das Einhalten dieser AbmaßtoIeranzen stellt ebenso einen hohen Grad an Wiederholbarkeit in der Empfindlichkeit von einer Sonde zur nächsten sicher. Die Empfindlichkeit ist als Änderung des Kapazitätswertes zwischen der ersten Sondenspitze 50 nach Masse oder Erde relativ zu Änderungen im Abstand zwischen der Fläche 100 und der äußeren Fläche der Spitze 50 definiert.

Andere Abmaße der Sonde sind weniger kritisch als die zuvor erwähnten und sie können sich innerhalb normaler Bearbeitungs-

209809/1079

toleranzen, ohne Verlust an Genauigkeit, Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse oder andere Ausführungseigenschaften dieser Sonde bewegen. Ein Schutzeffekt einer Spitze 50 und 68 gegenüber der anderen trägt ebenso zur Verminderung der erforderlichen Bearbeitungsgenauigkeit in der inneren Wand 46 und dem Abstand zwischen den Spitzen bei.

Bei derBeStimmung des radialen Abstandes zwischen den Außenumfängen der Spitzen 50 und 68 und der inneren Fläche der Ringe 58 und 64, oder die radiale Dicke der Ringe 56 und 66, spielt die maximal zu erwartende Entfernung oder Abstand zwischen der Spitze 50 und der Fläche 100 bei den bei der Verwendung der Sonde herrschenden Zuständen eine wichtige Rolle. Wenn dieser Abstand zunimmt, fließt ein beträchtlicher Teil des elektrostatischen Flusses zwischen der äußeren Fläche der Spitze 50 der ersten Anordnung und den auf Massepotential befindlichen Punkten in den Ring 58 anstatt zur Fläche 100. Eine dement sprechende Verminderung der Empfindlichkeit der Sonde kann durch diese "Schaltung" des Flusses erwartet werden. Die Auslegung der dielektrischen Ringe 56 und 66 kann daher in Hinblick auf den maximal zu erwartenden Abstand zwischen der Sondenspitze 50 und der Fläche 100vorgenommen werden. Eine praktische Regel für die radiale Dicke der Ringe 56 und 66 besteht darin, diese Dicke zwei Mal der maximal zu erwartenden Entfernung oder Abstand zwischen Spitze 50 und Fläche 100 zu wählen.

Einige zusätzliche Bedingungen hinsichtlich der allgemeinen Lage der Flächen beachten:

1. Die innere Wand der Hülse 62 ist von Bedeutung, da sie die Randfelder von der zweiten Sondenspitzenanordnung 44 beeinflußt, so daß sie daher den Ring 64 gut abgelegen von der Berührungsfläche zwischen Ring 64 und

209809/1079

dielektrischem King 66 hemmen oder aufhalten sollte.

2. Für den Fall, daß die Fläche 100, zu welcher der Abstand von der Sonde gemessen werden soll, entweder nicht geerdet oder nicht leitend ist, sollte die kombinierte Querschnittsfläche des Ringes 58 und des Zylinders 40, die zur Fläche 100 weisen, jeweils um eine oder um zwei Grössenordnungen größer als die Querschnittsfläche der Spitzen 50 sein, die gegen die Fläche 100 zeigen. Dieser letztere Zwang bedeutet eine sehr viel niedrigere Impedanz zwischen geerdetem Zylinder 40 und Fläche 100, als von der Spitze 50 unter den Bedingungen einer nicht geerdeten oder nicht leitenden Fläche 100.

Eine weitere wesentliche Bedingung für die Konstruktion der Sonde, die von Bedeutung für ein sicheres Erreichen eines hohen Grades an Genauigkeit bei Jeder Umweltbedingung ist, besteht darin, daß die Spitzen 50 und 68, die dielektrischen Hinge 56 und 66, und die Ringe 58 und 64 einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Eine Kombination, die dieser Bedingung hinsichtlich der Wärmeausdehnung genügt, besteht aus sogenannten Kovar-Spitzen und -ringen und dielektrischen Glasringen.

Bei einer normalen Umgebung sind bei einer Sonde der zuvor beschriebenen Art die hygroskopischen Eigenschaften des Materials, aus dem die dielektrischen Ringe 56 und 66 hergestellt sind, von großer Bedeutung. Die geringste Absorption von Wasser oder einem anderen Materials aus der Umgebung der Sonde in die dielektrischen Singe 56 und 66 oder in den inneren Raum 4-8 kann die zwei Kapazitätswerte zwischen dem Zylinder 40 und den Spitzen 50 und 68 in einem Ausmaß verändern, daß die Genauigkeiten sehr verschlechtert werden, die mit einer Sonde der zuvor beschriebenen Konstruktion erreicht wer-

209809/1079

den können.

Um eine genaue Betriebsweise der Sonde zu erreichen, sollten die dielektrischen Singe 56 und 66 aus einem Material hergestellt werden, welches einen sehr niedrigen Absorptionsindex für Wasser oder anderes fremdes Material aufweist, welches sich in der Umgebung der Sonde befinden kann.

Die dielektrische Masse in den Singen 56 und· "66 sollte ebenso eine undurchdringbare Barriere gegen das Eintreten von Wasser oder fremdem Material aus der Umgebung der Sonde in das Innere 48 bilden. Das die Spitzen 50 und 68 und die Hinge 58 und 64 formende Material ist normalerweise ein Metall, welches inhärent nicht absorptionsfähig und durchdringbar ist. Die biegsame Füllmasse 60 unterstützt eine möglichst vollständige Isolierung des Inneren 58 der Sonde gegen die Umgebung.

Beispiele für die Materialien der Singe, die beide Anforderungen hinsichtlich der hygroskopischen Eigenschaften und hinsichtlich des Temperaturausdehnungskoeffizienten erfüllen, sind Hart- oder Weichglas, AIpO, und andere Metalloxyde, die nicht halbleitend and. Besonders zu vermeiden sind die m.-eisten Epoxy-Dielektrika oder Steingutverbindungen (potting compounds), da man bei der Verwendung dieser Massen in Sonden gemäß Figur 1 festgestellt hat, daß eine Absorption und ein Eindringen durch diese/die Dielektrikas die Genauigkeit und Wert der Sonde herabsetzen.

Es besteht auch die Möglichkeit oder zusätzlich die Möglichkeit, den Überzug 98 in Figur 2 über das offene Ende 42 und der ersten Sondenspitzenanordnung 44 der Sonde anzuordnen. Dieser Überzug oder Abdeckung dient als Barriere gegen den Eintritt von Wasser oder fremdem Material aus der Umgebung

209809/1079

der Sonde in die dielektrischen Hinge 56 und 66 und in das Innere 48. Die Verwendung des Überzugs über der Abdeckung 98 ist wünschenswert, und zwar auch dann, wenn es sich um nicht absorptionsfähige dielektrische Hinge 56 und 66 handelt, da eine geringe Menge Wasser oder fremdmaterial sich nicht nur an den Flächen der dielektrischen Hinge, sondern auch an den Flächen der leitenden Hinge 58 und 64 und der Spitzen 50 und 68 absetzen bzw. ansammeln kann. Abdeckungen, die für diesen Zweck gute Dienste leisten, sind Silikonorganische Verbindung, im allgemeinen und Titandioxyd (TeOg).

Verschiedene Ausführungsformen der zuvor beschriebenen Sonde wurden entwickelt, die bestimmte zuvor erwähnte Vorzüge mit sich bringen, die 'Ausführungsform der Sonde verbessern und/ oder die Herstellungskosten herabsetzen.

Figur 4 zeigt im Querschnitt die zwei Sondenspitzenanordnun gen einer Sonde, die grundsätzlich ähnlich der Ausführungsform gemäß Figur 2 sind, ein äußeres leitendes Gehäuse 102 mit einer ersten Sondenspitzenanordnung 104 aufweisen, die aus dem Hing 106, dem dielektrischen Ring 108 und der zentralen leitenden Spitze 110 besteht; diese Anordnung weist eine äußere gekrümmte Fläche 112 auf. Eine derartige gekrümmte äußere Fläche 112 wird dann benötigt, wenn eine Fläche 114, deren Abstand von der Sondenspitze 110 auf kapazitivem Weg gemessen werden soll, selbst gekrümmt verläuft und zwar längs dem Abschnitt, der der Sondenspitze 110 gegenüberliegt. Bei anderen Anwendungsfällen kann die gekrümmte Fläche 112 dazu verwendet werden, bestimmten Zonen zwischen der Fläche und der Spitze 110 entsprechend dem Ansprechen einer Anzeigevorrichtung 92 größere Bedeutung zukommen zu lassen als anderen Zonen. ; ■

Figur 5 zeigt einen Querschnitt und schematisch einen Teil

20980971079

eines Schaltbildes eines einfacher herzustellenden Sondeneinschubes 116, der mit einem zylindrischen leitenden Gehäuse
118 umgeben ist.

Der Einschub 116 besteht aus einer ersten Sondenspitzenanordnung 120 und aus einer zweiten Sondenspitzenanordnung 122, die mit Hilfe eines zylindrischen elektrisch|leitenden Festhaltebandes 124 im axialen Abstand und in paralleler Lage
gehalten sind, wobei diese Ausführung konstruktiv besonders k einfach aufgebaut ist und leicht in den Zylinder 118 eingeschoben werden kann. Die erste Sondenspitzenanordnung 120
besteht aus einer ersten elektrisch leitenden Sondenspitze
126, die von einem ersten dielektrischen Hing 128 umgeben
ist und am Außenumfang Kontakt mit diesem hat, wobei dieser Ring seinerseits wieder elektrischen Kontakt an seinem Aussenumfang mit einem ersten elektrisch leitenden Hing 130 hat.

Die zweite Sondenspitzenanordnung 122 ist konstruktionsmässig im wesentlichen identisch mit der ersten Sondenspitzenanordnung 120 und weist eine zweite elektrisch leitende Sondenspitze 132, einen zweiten dielektrischen Ring 134 und einen zweiten elektrisch leitenden Ring 136 auf. Ein Pesthal- * teband 124 hält die erste und die zweite Sondenspitzenanordnung 120 und 122 parallel zueinander und im Abstand längs einer gemeinsamen Achse 138, wobei dieses Band an beiden Enden bzw. Zylinderenden einen Abschnitt mit größerem Innendurchmesser aufweist, der ausreichend groß ist, so daß jede Sondenspitzenanordnung plan mit dem jeweiligen Ende des Bandes 124 abschließt und in einer festen Passung zwischen der Innenwand des Bandes 124 und dem Außenumfang jedes elektrisch leitenden Ringes 13O und 136 aufweist.

Die Spitzen, dielektrischen Ringe und elektrisch leitenden
Ringe und das festhalteband können irgendeine geschlossene

209809/1079

quadratische oder rechteckige Querscbnittsform, wie dies zuvor beschrieben wurde, aufweisen. Sie sind in gleicher Weise dimensioniert und zwar zwischen erster und zweiter Sondenspitzenanordnung, wobei sich diese Abmaße in Toleranzen bewegen, wie sie unter Hinweis auf die Sonde gemäß Figur 2 erwähnt wurden.

Die gesamte Anordnung 116 ist so ausgelegt, daß sie in den Zylinder 118 einpasst, so daß man eine komplette Sondenkonstruktion erhält. Der Abschnitt 140 des Zylinders 118, in welchem die Anordnung 118 eingeschoben ist, ist so bearbeitet, daß sich eine relativ dünne Wand einstellt, und besteht weiter aus einem elastischen Material, wie beispielsweise rostfreiem Stahl. Der dünne Abschnitt 140 aus rostfreiem Stahl weist eine ausreichende Elastizität auf, so daß die gesamte Anordnung 116 sich um den geringen Betrag ausdehnen kann, der während einer Wärmeausdehnung und Zusammenziehung der Anordnung 116 auftritt. Die Anordnung 116 ist so konstruiert, daß sie einen einheitlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten entsprechend aller Einzelteile aufweist, wobei man beispielsweise alle elektrisch leitenden Abschnitte aus KOVAR und die dielektrischen Hinge aus Glas herstellt.

Das andere Ende des Zylinders 118, welches dem Abschnitt 140 gegenüberliegt, weist ein Gewinde 142 auf, welches so ausgelegt ist, daß der Zylinder 118 an einer weiteren Anschlußkonstruktion (nicht gezeigt) befestigt werden kann, um die gesamte Sonde in einer bestimmten Beziehung zu einer festen Konstruktion zu halten. Ein zwei Kontakt elektrisches Verbindungsteil 144 dichtet hermetisch das Ende des Zylinders 118 mit dem Gewinde 142 ab und passt in einen geeigneten Verbindungsstecker mit zwei Anschlüssen (nicht gezeigt) der Anschlußkonstruktion hinein.

209809/1079

- .26 -

Jeder der zwei Anschlüsse in dem Verbindungsteil 144· ist über Leiter 146 und 148 jeweils an gegenüberliegende Verbindungspunkte einer Diodenmatrix I50 angeschlossen, wobei diese Diodenmatrix aus einem fortgeführten Ring aus vier verbundenen Dioden 152 besteht, die im leitenden Sinn in einer Sichtung geschaltet sind. Die anderen zwei Verbindungspunkte zwischen den Dioden in dem Hing der Matrix I50 sind jeweils an eine erste und eine zweite elektrisch leitende Spitze 126 und 132 angeschlossen, wie dies zuvor ebenfalls der Fall war. Die Diodenmatrix I50 kann entweder zwischen den Verbindungsstecker 140 und der zweiten Sondenspitzenanordnung 122, oder zwischen den zwei Sondenspitzenanordnungen 120 und 122 angeordnet sein, wie dies gezeigt ist.

Figur 6 zeigt eine Schnittdarstellung einer Endzone einer kapazitiven Sonde, bei der eine erste und eine zweite Sondenspitzenanordnung 154 und 156 zwischen einem herkömmlichen zylindrischen und leitenden Gehäuse 158 angeordnet sind. Die erste und die zweite Sondenspitzenanordnung 15^- und 156 bestehen jeweils aus einer ersten und einer zweiten dielektrischen Masse 160 und 162, auf die jeweils ein zentraler elektrisch leitender Niederschlag oder Punkte 164 und 166 aufgebracht ist, wobei diese Anordnung die Sondenspitzen, wie sie zuvor beschrieben wurden, ersetzen.

Mit einem elektrisch leitenden Niederschlag versehene Bänder 168 und 170 umgeben jeweils die Niederschläge oder Punkte 164 und 166 auf den Massen 160 und 162 und weisen einen Abstand von diesen auf. Jedes Band 168 und 1?0 ist koaxial zu einer mittleren Achse jedes Punktes 164 und 166 angeordnet, wobei diese Achse mit einer zentralen Achse 172 des Zylinders 158 zusammenfällt. Jede Unterlage oder Masse 160 und 162 verläuft in ihrer Ausdehnung im rechten Winkel zur Achse 172 des Zylinders 158.

209809/1079

Bei der Herstellung des Niederschlages auf den. Bändern 168 und 170 darf das leitende und aufgetragene Material sich auch auf die Außenumfänge 174- und 176 der Unterlagen 160 und 162 niederschlagen. Bei dieser Form des Umfanges jeder Unterlage, die gleich der Querschnittsform des Zylinders 158 ist, kann dieser zusätzliche Niederschlag an den Umfangen 174· und 176 dazu beitragen, daß beide Sondenspitzenänordnungen dicht in den Zylinder I58 einpassen und einen elektrischen Kontakt zwischen Zylinder I58 und jedem elektrisch leitenden Band 168 und I70 sicherstellen.

Elektrische Leiter 178 und 180 sind in herkömmlicher Weise an die Niederschläge oder Punkte 164- und 168 jeweils angebracht und verbinden die Unterlagen oder Massen 160 und und den Niederschlag oder Punkt 166 mit der zuvor beschriebenen Schaltung.

Es ist natürlich möglich, die erste und die zweite Sondenspitz enanordnung 154- und 156 in einem Behälterband ähnlich dem Band 124- anzuordnen, was in Figur 5 veranschaulicht ist, bevor sie in den Zylinder I58 eingesetzt werden.

Die Vorzüge dieser Konstruktion bestehen darin, daß die leitenden Elemente, die die kapazitiven Platten für die Kapazität zwischen dem Zylinder I58 und den zentralen Niederschlägen oder Punkten 164· und 166 bilden, praktisch keine axiale Ausdehnung aufweisen und somit auch keine bedeutende axiale Temperaturausdehnung besitzen. Auch wird die temperaturbedingte Ausdehnung jeder Sondenspitzenanordnung 154 und I56 vollständig durch die Unterlagen oder Massen 160 und 162 ' bestimmt, die vollständig homogen ausgeführt sein können, den gleichen.Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und ein vollständig einheitliches Temperaturansprechverhaltesi besitzen.

209809/1Of 9'""-

Die Niederschläge können aus einer Reihe von Prozessen gewonnen- werden, wie

1. Schmelzglas gebundene Metallsuspensionen j

2. Zerstäubung;

3· Vakuumverdampfung; und
4. Galvanostegie.

Han kann sagen, daß diese Techniken eine wirtschaftliche W Massenproduktion bei verminderten Kosten ermöglichen und zwar unter Beibehaltung desselben hohen Grades der Abmaßtoleranzen zwischen der ersten und der zweiten Sondenspitzen anordnung.

Es ist ebenso möglich, die erste Sondenspitzenanordnung mit dem elektrisch leitenden Niederschlag oder Niederschlagen, die nach innen weisen anstatt nach außen, wie in Figur 6 gezeigt ist, herzustellen. Hierdurch wird eine Zerstörung der Fläche, die die leitenden Elemente enthält, verhindert, als auch eine Barriere gegen Umwelteinflüsse für die erste Sondenspitzenanordnung 144 geschaffen und zwar durch geeignete Wahl eines nicht absorptionsfähigen und undurchdringbaren Unterlagematerials tie beispielsweise Glas.

Figur 4 zeigt eine kapazitive Sonde gemäß dem Niederschlagstyp, wobei jedoch die zweite Sondenspitzenanordnung abgewandelt ist. In diesem Fall ist eine Unterlage 182, die den Untergrund für die zweite Spitzenanordnung bildet, dargestellt und diese ist in axialer Sichtung mit einer öffnung oder Loch 184 ausgestattet, die einen wesentlichen Abschnitt der Fläche ausmacht, wobei in anderer Weise der mittlere Niederschlag oder Punkt auf der Unterlage angeordnet wäre. In diesem Fall ist ein zentraler Niederschlag 186 für die Unterlage 182 na-

203808/1079

he der Öffnung 184 ausgebildet und dieser Niederschlag Tran τι sich weiter durch die öffnung oder das Loch 184 erstrecken und bis über die andere Seite bzw. gegenüberliegende Fläche der Unterlage 182 reichen. Ein elektrisch leitendes Niederschlagsband 188 kann in derselben Weise ausgeführt werden, wie das mit einem Niederschlag versehene Band gemäß Figur 6, oder es besteht in einem Fall, bei dem der mittlere Niederschlag 186 auf beiden Seiten der Unterlage 182 angeordnet ist, auch die Möglichkeit, einen Niederschlag für das Band 188 auf beiden Seiten der Unterlage 182 vorzusehen, die sich dann um den Außenumfang 190 der Unterlage 182 erstreckt, so daß dadurch eine elektrische Verbindung zwischen dem Band 188 und einem zylindrischen Gehäuse 192 für die Sondenspitzenanordnung entsteht.

Der Zweck der Öffnung 184, die durch die Unterlage 182 der zweiten Sondenspitzenanordnung führt, besteht darin, die Möglichkeit zu schaffen, daß die erste Sondenanordnung 154 und insbesondere der mittlere Niederschlag 164 auf dieser stärker durch das Randfeld beeinflußt werden kann, welches den Kapazitätswert zwischen dem Gehäuse 192 und dem mittleren Niederschlag 186 der zweiten Sondenspitzenanordnung beeinflußt. Dieser Einfluß wird weiter verstärkt, wenn die erste und die zweite Sondenspitzenanordnung in dem zylindrischen Gehäuse 192 dicht zusammengebracht werden. Wenn beide zentrale Niederschläge eine gemeinsame große Komponente des Eandfeldes aufweisen, dann wird die Neigung der kapazitiven Sonde bei Umweltänderungen Uligleichmäßigkeiten in dem Kapazitätswert zwischen dem Zylinder 192 und den mittleren Niederschlagen zu erzeugen, weiter vermindert.

Natürlich kann die öffnung 184 durch die zweite Sondenspitzenanordnung auch in Konstruktionen verwendet werden, die ähnlich den Konstruktionen gemäß Figuren 2 und 5 sind.

209809/1079

Figur 8 zeigt nun eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der grundlegenden kapazitiven Sonde mit einem teilweise schematischen Stromlauf ρlan. Hier besteht das zylindrische Gehäuse 1°A für die Sonde aus zwei zylindrischen und konzentrisch angeordneten elektrischen Leitern, und zwar aus einem äußeren Leiter 196 und aus einem inneren Leiter 198, die zwischen sich koaxial ein zylindrisches dielektrisches Abstandsteil 200 aufweisen.

Die erste und die zweite Sondenspitzenanordnung 202 sind in Figur 8 veranschaulicht, sollen jedoch nicht im Detail beschrieben werden, mit der Ausnahme, daß sie die Form irgendeiner der zuvor beschriebenen Konstruktionen aufweisen können.

Elektrische Leiter 204- und 206 führen von jeder Sondenspitz enanordnung, wie dies auch zuvor der Fall war, zu einer Diodenmatrix 208. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 8 kann jedoch die Diodenmatrix 208 von der Sondenspitze um die Länge des Kabels 209 entfernt sein, wobei eine Doppelabschirmung bestehend aus dem äußeren Schirm 210 und dem inneren Schirm 212 jeweils an den äußeren und inneren zylindrischen Leiter 196 und 198 angeschlossen ist und im Inneren die Leiter 204- und 206 verlaufen« Das Kabel 209» welches die Schirme 210 und 212 aufweist, endet- in einem Schaltungsgehäuse 214, welches eine Meßschaltung 216 mit einer Diodenmatrix 208, kapazitiven Zweigen 86_T 88, Induktivitäten 94- und einen Oszillator 90 beinhaltet, wie dies zuvor der Fall war. Der Schirm 210 des Kabels 209 schafft die Möglichkeit, daß die Schaltung 216 von der Zone der kapazitiven Sonde entfernt angeordnet werden kann.

Das Schaltungsgehäuse 214- besteht aus zwei dielektrischen und

209809/1079

213754S

im Abstand angeordneten elektrischen Leitern, einem äußeren Leiter 218 und einem inneren Leiter 220, die jeweils an den äußeren und an den inneren Schirm 210 und 212 angeschlossen sind. Der äußere Leiter 218 stellt effektiv die Masse oder Erde der Schaltung oder einen gemeinsamen Punkt dar, ist wünschenswert, jedoch nicht zum Abschirmen der Schaltung 216 erforderlich. Der innere Leiter 220 wirkt als Schirm und sein Vorhandensein ist wichtig, um die Meßschaltung 216 abzuschirmen.

Der Ausgang des Oszillators 90, der die kapazitiven Zweige 86 und 88 speist, ist ebenso an den inneren Leiter 220 angeschlossen und dieser ist seinerseits an den inneren Schirm 212 und den inneren zylindrischen Leiter 198 angeschlossen.

Es besteht auch die Möglichkeit, eine Abbloekkapazität 222 zum Abblocken der Gleichspannung zwischen den Oszillator 90 und die kapazitiven Zweige 86 und 88 und den inneren Leiter 220 einzuschalten.

Der innere zylindrische Leiter 198, der innere Schirm 212 und der innere Leiter 220 dienen als Schutz für die Sondenspitz enanordnungen 202, und ebenso als Schutz für die zugeordneten elektrischen Leiter 204 und 206 und die Meßschaltung 216. Durch den Schutz der Anordnung 202 mit Hilfe eines Schirmes gemäß der Ausführungsform nach Figur 8, bei im wesentlichen den gleichen momentanen elektrischen Potential wie das der Leiter 204 und 206 und das der Sondenspitzen 50 und 68 in der Anordnung 202, kann die kapazitive Wirkung zifischen Massepotential und den Leitern 204 und 206 und den Spitzen 50 und 68 sehr klein, gehalten werden und zwar trotz großer Entfernungen und trots einer großen Länge des Kabels 209 zwischen Zylinder 194 und dem Sehaltusigsgehause 214_O Je

20 S 8© S

kleiner der Kapazitätswert zwischen Masse und den Leitern 204- und 206 ist, desto größer ist die Empfindlichkeit der Sonde, die als prozentuale Änderung des Kapazitätswertes zwischen Masse und den Leitern 206 und der Spitze ^O für eine gegebene Entfernungsänderung zwischen der Vorderspitze 50 und der Fläche 100 definiert ist, von welcher Entfernung aus gemessen werden soll. Auch die Abhängigkeit von Umwelteinflüssen wird reduziert, da weniger beeinflußbare Kapazität bzw. Kapazitätswert vorhanden ist.

Ein weiterer Vorteil der geschützten und abgeschirmten Kapazität ssonde gemäß Figur 8 besteht darin, daß das gleiche Potential auf dem inneren Zylinder 198 den elektrischen Feldfluß von der Meß- oder Vorderspitze 50 der Sonde zur Fläche 100 lenkt und ebenso weg von dem äußeren Zylinder 196. Das Vorhandensein eines derartigen Schutzes oder Abschirmung schafft die Möglichkeit, daß die kapazitive Sonde ihre Empfindlichkeit bei großen Abständen von der Fläche 100 beibehält, im Gegensatz bei einem Fehlen dieses Schutzes oder Abschirmung.

Die Figuren 9 und 10 zeigen eine Schnittdarstellung einer abgewandelten Ausführungsform einer abgeschirmten oder geschützten Kapazitätssonde. Ein leitendes zylindrisches Gehäuse mit einem einzelnen Leiter 226 ist vorgesehen, wobei jede Sondenspitzenanordnung aus einer dielektrischen Unterlage oder Masse 228 besteht, auf der ein elektrisch leitender mittlerer Niederschlag 230 aufgebracht ist bzw. auf die Fläche dieser Unterlage 228 aufgebracht ist. Eine Abschirmung wird mit Hilfe eines elektrisch leitenden und mit einem entsprechenden Niederschlag versehenen Bandes 232 erreicht, welches den mittleren Niederschlag 230 auf der Unterlage 228 umgibt. Wie in. Figuren 9 und 10 veranschaulicht ist, so kann

209809/1079

diese letzte Konstruktion der Kapazitätssonde entweder mit Niederschlagen 230 und 232 versehen sein, die vom Inneren der Sonde nach außen weisen, wie in Figur 9 gezeigt ist, oder es besteht die Möglichkeit, bei einer umgekehrten Ausführungsform, daß die Eederschläge nach innen zeigen, wie dies Figur 10 veranschaulicht. Die Ausführungsform gemäß Figur 10 bietet den zusätzlichen Vorteil, daß die Niederschlage 230 und 232 geschützt werden.

Bei den Ausführungsformen gemäß Figuren 9 und 10 ist die Schutz- oder Abschirmwirkung des Bandes 232 darauf beschränkt, das elektrische Feld von dem zentralen Niederschlag 230 zur Meßfläche hinzulenken, die in einem Abstand vom Ende der Kapazität ssonde in Lage gebracht wird. Es tritt auch eine Wirkung vom Niederschlag 232 her auf, der in einer Abschirmung des Feldes zwischen dem zylindrischen Gehäuse 226 und dem. zentralen Niederschlag 230 besteht, jedoch weniger stärk ausgeprägt ist als bei" der Ausführungsform gemäß Figur 8.

Wenn der Wunsch besteht, die Kapazitätssonden gemäß Figuren 9 und 10 von der Schaltung 216 der Figur 8 abgelegen in Betrieb zu nehmen, also mit einer Kabelverbindung dazwischen, so ist es erforderlich, ein abgeschirmtes Kabel 209 zu verwenden, bei dem dann eine Verbindung von einem inneren Schirm 212 den Abschirmbändern 232 hergestellt werden muß und wobei die elektrischen Leiter, die von den zentralen Niederschlägen 230 abgehen, zentral durch den Schirm des Kabels 209 verlaufen müssen.

Im folgenden soll nun die Betriebsweise der Schaltung beschrieben werden, die für die Anwendung der zuvor beschriebenen Sonden verwendet werden kann, um eine Anzeige der Ausgangsgröße des Kapazitätswertes zwischen der Meßspitze der Sonde oder Elektrode der Sonde und einer Fläche vorzusehen.

209809/1079

_ 34-

Der Aufbau dieser Schaltung wurde bereits kurz an früherer Stelle beschrieben.

Figur 11 zeigt eine ImpedanzMeßschaltung oder Brücke 234, die von einem Oszillator 90 gespeist wird, der für die erforderliche Erregung der Detektor- und Bezugskapazitäten 236 und 238 sorgt. Diese Kapazitäten 236 und 238 sind normalerweise jeweils Meß- und Abgleichkapazitäten. In der Impedanz-Meßschaltung 234 wird die vom Oszillator 90 eingespeiste Erregergröße zwischen den Impedanzen in den Zweigen 240 und 242 ausgeteilt, wobei diese Impedanzen normalerweise durch große kapazitive Werte oder Widerstandswerte gekennzeichnet sind und ebenso durch einen effektiv offenen Gleichspannungskreis und eine wesentlich kleinere Wechselstromimpedanz als diejenige der Kapazitäten 236 und 238 bei der Frequenz des Oszillators 90 gekennzeichnet sind. Der durch die Impedanzen 240 und 242 fließende Strom gelangt zu einer Diodenmatrix 244, welche den Strom auf den Impedanzen 240 und 242 zwischen den Detektor- und Abgleichbezugskapazitäten 236 und 238 schaltet, was von der Polarität des Stromes aus dem Oszillator 90 abhängig ist.

Auf diese Weise erzeugt die Erregergröße über die Verbindungspunkte 246 und 248, wo sich die Impedanzen 240 und 242 jeweils an die Diodenmatrix 244 anschließen, ein Signal an den Punkten 246 und 248 (ebenso bei 262 und 264), wobei eine Gleichspannungskomponente die Kapazitätsunterschiede zwischen der Detektor- und Bezugskapazität 236 und 238 kennzeichnet. Für eine Wechselstromfilterung sind Induktivitäten 250 und 252 an die Verbindungspunkte 246 und 248 angeschlossen und diese Induktivitäten liegen auf der anderen Anschlußseite an Meßeinrichtungen 254 und 256, damit die Gleichspannungskomponente nach Masse zurückfließen kann und um die Gleichspannungskomponente an den Verbindungspunkten 246 und 248

209809/1079

anzuzeigen, ohne dabei die Anzeige durch die wesentlich grössere VechseIstromkomponente aus dem Oszillator 90 zu verfälschen.

Es ist bedeutungsvoll, daß die momentane Spannung an den Kapazitäten 236 und 238 und am Oszillator 90 nahezu gleich ist. Dadurch wird der Effekt einer Zwischenelektrodenkapazität minimal gestaltet und darüberhinaus kann jede Elektrode in den Sonden einen dichten oder engen Abstand aufweisen bzw. es können eine Vielzahl an Elektroden, wie dies zuvor beschrieben wurde, verwendet werden. Die abgeschirmte Ausführungsform gemäß Figur 8 kann ebenso in einfacher Weise aufgrund der zuvor erwähnten Tatsache und Ergebnis verwirklicht werden. Je ein Anschluß der Quelle, der gemessenen Kapazität und des Ausgangs kann geerdet werden. Auch sind wesentliche Unterschiede zwischen den Kapazitätswerten der Kapazitäten 236 und 238 möglich, während die Anzeige der Ausgangsgröße dennoch linear mit dem Kapazitätswert der Kapazität 236 veränderlich ist.

Die Ausgangsanschlüsse 258 und 260 sind an den Verbindungspunkt zwischen jeder Induktivität 250 und 252 und den Meßeinrichtungen 254- und 256 angeschlossen. Die Ausgangspunkte 258 und 260 stellen Abgriffsanschlüsse für die Gleichspan·*· nungskomponente an den Verbindungspunkten 246 und 248 für eine weitere Signalverarbeitung dar, wie dies im folgenden beschrieben werden soll.

In Figur 13 sind die Detektor- und Bezugskapazität 236 und 238 außerhalb der Impedanzmeßschaltung 234 angeordnet dargestellt, sie sind jedoch über die Leiter 262 und 264- an die Diodenmatrix 244 angeschlossen. Der Übersichtlichkeit halber sollen im folgenden die Anschlüsse 262 und 264 als Eingangs=

209809/10 79

anschlüsse für die Impedanz-Meßschaltung oder Brücke 234 bezeichnet werden, während die Anschlüsse 258 und 264 als Ausgangsanschlüsse der Schaltung 234 bezeichnet werden sollen.

Wie sich aus der vorangegangenen Beschreibung in Verbindung mit Figur 11 ergibt, so ist bei Gleichheit der Kapazitätswerte der Detektor- und Bezugskapazität 236 und 238 der Gleich-Spannungsausgang an einem der Ausgänge 258 oder 260 gleich Null. Für kleine Unterschiede zwischen diesen Kapazitäten 236 und 238 ist das Gleichspannungssignal an den Ausgangspunkten 258 und 260 proportional zu dieser Differenz.

Für die Sonde gemäß Figur 2 stellt diese Differenz den Kapazitätswert zwischen der Spitze 50 in der ersten Sondenspitzenanordnung und der Fläche 100, von der aus der Abstand gemessen werden soll, dar. Eine solche Kapazität ist nach der Standardformel für den Kapazitätswert zwischen parallelen Platten umgekehrt proportional zum Abstand zwischen der Sondenspitze und der Fläche 100, von welcher aus die Entfernung gemessen werden soll. Das Ausgangssignal ist somit umgekehrt proportional zum Abstand zwischen der Spitze 50 der ersten Sondenspitz enanordnung und der abgelegenen Fläche 100.

Figur 12 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Schaltung gemäß Figur 11, deren endgültige Ausgangsgröße direkt proportional zum Abstand ist, der gemessen werden soll, d.h. also nicht umgekehrt proportional. Eine Brücke 266 ist identisch mit der Impedanz-Meßschaltung 234, diese wird jedoch durch einen signalgeregelten Oszillator 268 erregt, dessen Steuer- oder Regelsignal über einen Regler 270 mit großer Verstärkung zugeführt wird. Dem Regler 280 wird differentiell eine Bezugsgröße 272 und eine Ausgangsgröße aus der Brücke 266 eingespeist, um eine Gegenkopp lungs schleife vor-

209809/1079

zusehen, so daß die Erregung des Oszillators 268 in einer Weise geregelt wird, so daß die Ausgangsgröße der Brücke 266 im wesentlichen gleich der Bezugsgröße 272 gehalten wird.

Der Oszillator 268 erregt ebenso eine Brücke 274, die mit der Brücke 266 identisch ist. Die Brücke 266 weist eine Detektor- und Bezugskapazität 236 und 238 auf, die an diese angeschlossenjsind. C^ ist dabei die Differenz zwischen diesen Kapazitäten bzw. Kapazitätswerten derselben. Die Brücke 274 weist einen Satz an Detektor- und Bezugskapazitäten und 278 auf, die an diese angeschlossen sind. CL ist die Differenz zwischen den Kapazitätswerten der Kapazitäten und 278, I ist die Bezugsspannung 272, F die Frequenz des Oszillators 268, V die Ausgangsspannung des Oszillators und E die Ausgangsgröße der Brücke 274. Es gilt nun folgende Gleichung:

VF G_A = I

YF C_B = E
E = IC_B

Somit ist E proportional zum Abstand, der bei C-g gemessen wird, oder das reziproke von C^, dem unterschied der Kapazitätswerte der Detektor- und Bezugskapazitäten der Brücke 266. Die Stromwerte können als Äquivalent zu diesen Spannungsausdrücken ebenso verwendet werden.

Die Figuren 13 und 14 zeigen jeweils eine vertikale Schnittdarstellung und eine horizontale Schnittdarstellung einer sich selbst kompensierenden Kapazitätssonde mit mehreren Sondenspitzen, mit einem rechteckigen elektrisch leitenden

209809/1079

zylindrischen Gehäuse 280, welches eine erste und eine zweite Sondenspitzenanordnung 282 und 284 jeweils einschließt. Jede Sondenspitzenanordnung ist im wesentlichen identisch aufgebaut und besteht aus einer dielektrischen Hülse 286 mit zwei plan parallelen Flächen, die von drei Löchern durchsetzt sind, wobei diese Löcher gemäß den Figuren 13 und 14 von links nach rechts ausgerichtet verlaufend angeordnet sind und senkrecht durch die Flächen der Hülse 286 hindurchgehen. In jedes Loch ist eine elektrisch leitende Sondenspitze oder Elektrode 288 eingeführt und schließt plan mit den Flächen der dielektrischen Hülse 286 ab. Eine kleine Menge eines biegsamen Füllmaterials kann, wie bereits erwähnt, zwischen die dielektrische Hülse und den Umfang der elektrisch leitenden Spitzen 288 eingebracht werden·

Ein offenes Ende 290 des zylindrischen Gehäuses 280 beinhaltet die erste Sondenspitzenanordnung 282, die plan mit dem offenen Ende abschließt und im rechten Winkel zu einer zentralen Achse 292 des zylindrischen Gehäuses 280 verläuft. Die zweite Sondenspitzenanordnung 284 ist parallel zur ersten Anordnung 282 angeordnet und ist vom offenen Ende 290 zurückgesetzt und zwar innerhalb dem zylindrischen Gehäuse 280. Eine äußere Fläche 294 der ersten Sondenspitzenanordnung 282 liegt einer elektrisch leitenden Platte 296 gegenüber, deren Fläche 298 im wesentlichen parallel zur äußeren Fläche 292 der ersten Sondenspitzenanordnung 282 verläuft, so daß eine Bahn oder Pfad zwischen den Flächen 298 und definiert wird, durch welchen ein Streifen oder Band aus einem dielektrischen Material 300 hindurchgeführt werden kann und zwar in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Figur 13.

Die Meßspitzen oder Elektroden in der ersten Sondenspitzen-

209809/1079

anordnung 282 sollten in Hinblick oder unter Berücksichtigung der Abmaße des dielektrischen Streifens 300 in Lage gebracht werden, insbesondere in Hinblick auf den linken und rechten Rand 302 und 304 (wie dies in Figur 13 gezeigt ist), so daß die Kanten 302 und 304 zwischen die Plattenfläche 298 und die linke und rechte elektrisch leitende Meßspitze 306 und 308 gelegen sind. Eine zentral gelegene elektrisch leitende Meßspitze 310, zwischen den Spitzen 306 und 308, weist dann zwischen sich und der Plattenfläche 298 einen durchgehenden fortlaufendenAbschnitt des dielektrischen Streifens 300 auf.

In die dielektrische Hülse 286 der zweiten Sondenspitzenanordnung 282 sind die elektrisch leitenden Abgleichspitzen 312, 314 und 316 eingeschoben, die lagemäßig in der zweiten Sondenspitzenanordnung 282 den elektrisch leitenden Meßspitzen 306, 308 und 310 in der ersten Sondenspitzenanordnung entsprechen. In dieser Weise sind drei Elektrodensätze von Abgleich- und Meßspitzen oder Elektroden definiert und bestehen jeweils aus einer Meß- und einer Abgleichspitze oder Elektrode von entsprechenden Lagen in der ersten und der zweiten Sondenspitzenanordnung 282 und 284. Elektrische Leiter 318 sind jeweils an jede elektrisch leitende Spitze oder Elektrode angeschlossen und führen durch die Kapazitätssonde von der Platte 296 weg zur Schaltungsanordnung, die im folgenden beschrieben werden soll.

Obwohl die sich selbst kompensierende Sonde mit mehreren Sondenspitzen gemäß Figuren 13 und 14 Elektrodensätze aufweist, die alle in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, ist es bei mehreren Gehäusen für einen Einzelelektrodensatz, ähnlich der Ausführung gemäß Figur 2, auch möglich, diese Gehäuse miteinander zu befestigen, um somit eine Sonde mit vielen Sondenspitzen zu erhalten, wobei ein Pfad zwischen der Plat=

209809/1079

tenflache 2^2 und einer Fläche der Sonde entsteht, der sich aus der Zusammenfassung mehrerer Meßelektroden von mehreren getrennten Gehäusen ergibt.

Für eine große Meßgenauigkeit der Sonde gemäß Figuren 13 und 14-, müssen bestimmte kritische Abmaße innerhalb enger Toleranz grenz en gehalten, werden (in der Größenordnung von +_
0.001 Inch) während andere Abmaße innerhalb der üblichen
Bearbeitungstoleransen (_+ 0.005 Inch oder besser) gehalten werden können. Die kritischen Abmaße sind wie folgt:

1. Gleichheit zwischen den Spitzen desselben Satzes hinsichtlich der umfangsmäßigen axialen Dicke und der Fläche der Umfangskante oder Hand Jeder Spitze oder Elektrode, der
zum Gehäuse 280 hinweist; und

2. Gleichheit zwischen den Spitzen desselben Satzes hinsichtlich des Abständes entsprechend den dielektrischen Hülsen 286 und hinsichtlich deren axialer Dicke relativ zum Gehäuse 280»

Da alle Spitzen n&hezn auf demselben elektrischen Potential arbeiten9 ist der Abstand tischen diesen weniger kritisch.

Die Kapazitätssonde mit den vielen Spitzen gemäß Figuren 13 und 14 ist besonders geeignet zum Messen von Änderungen in
der Breite oder dem Abstand von der Kante 302 zur Kante 304-des dielektrischen Streifens 300, bei Kompensation von Änderungen in der Dicke und/oder der Dielektrizitätskonstanten
des Streifens 300, Dies kann durch Erfassen von Kapazitätsschwankungen zwischen Plattenfläcli© 298 und Spitzen 306 und 308 erreicht werden, die dann sowohl die Schwankungen in der Breite als auch in der Dick© des dielektrischen Streifens angeben. Kapazitätsänderungen aufgrund einer Schwankung der

209809/1079

Dicke oder der Dielektrizitätskonstanten des Streifens 300 kann dann kompensiert werden und zwar durch Veränderung des Eapazitätswertes oder der Kapazität zwischen der Plattenfläche 298 und der mittleren oder zwischen gelegenen Spitze 310, da diese Änderungen sich nur als Ergebnis von Schwankungen in der Dicke des dielektrischen Streifens 300 ergeben.

Dort, wo der Abstand zwischen der Sonde und der Fläche sich ändern kann, ist ein Zusatz zur Sonde der Figuren 13 und 14 erforderlich, um eine Kompensation für die Schwankungen oder Änderung vorzusehen. Diese abgewandelte Sonde ist in Figur 15 schematisch und im Schnitt gezeigt. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 15 sind zwei zusätzliche Elektrodensätze, bestehend aus Heßelektroden oder Spitzen 320 und 322 und aus Abgleichspitzen 324 und 325 an beiden Seiten der drei Elektrodensätze der Figuren 13 und 14 angeordnet. Die Fläche 298 der Platte 296 muß so verlaufen, daß alle fünf Elektrodensätze zu dieser hinweisen. Die Meßspitzen 306, 308 und 310 werden relativ zum dielektrischen Streifen 300 in derselben V/eise wie bei der Ausführungsform gemäß Figuren 13 und 14 in Lage gebracht. Die Meßspitzen 320 und 322 zeigen dann zur Fläche 298 hin, ohne daß dabei irgendein Abschnitt des Streifens 300 dazwischen liegt.

Es sei der Vollständigkeit halber auch auf die Formeln eingegangen, die den Kapazitätswert zwischen der Fläche 298 und den Meßspitzen 306, 308, 310, 320 und 322 in Ausdrücken des Abstandes oder der Trennung und der Eigenschaften des zwischenliegenden Streifens 300 wiedergeben«, Diese Kapazitäten, die jeweils mit CzQ₆» ^C308' °310» °320 ¹^^{4 G}322 sind, sind wie folgt gegeben;

209809/1079

0R =	C310 = k» r{	1	(D
G306		tk1
c	D = l(a-p2) Ic1 + :	^2(P1
2D =	D °306 + °308 = lk1 &	+ P2) -
LP2 *, k 2
CD-t; k2 +

33

^Cp - °320 ^{= C}322 * ^alkt (3)

"T5

hierin bedeutet:

a · = die Breite oder Weite jeder Meßspitze; D = der Abstand von den Meßspitzen zur Fläche 298;

k/i = absolute Dielektrizitätskonstante der Umgebung der Sonde;

k₂ = dielektrische Stoffkonstante des dielektrischen Streifens 300;

1 = Länge jeder Meßspitze;

P₁ = die Strecke, über welche sich der Streifen 300 über die Spitze 306 bzw. unter der Spitze 306 in einer Richtung erstreckt} = die Strecke in einer Richtung, über welche sich der

Streifen 300 unter der Spitze 308 erstreckt; und » die Dicke des dielektrischen Streifens 300.

209809/1079

Es soll nun auf Systeme eingegangen werden₉ mit deren Hilfe die Breite eines dielektrischen Streifens 300 unter Verwendung der Ausführungsform gemäß Figuren 13? 14 und 15 und der Schaltung gemäß Figur 11 gemessen werden kann_o Es läßt sich ersehen, daß,wenn die Detektorkapazität 236 in Figur 11 aus einer Parallelschaltungskombination der Kapazität zwischen
Masse und den elektrisch leitenden Spitzen 3O6₉ 308 und 316 besteht, und die Bezugskapazität 238 aus einer Parallelschaltung oder Kombination des Kapazitätswertes zwischen Masse und elektrisch leitenden Spitzen 312, 314 und 310 ist, die Ausgangsgröße entweder am Punkt 258 oder 260 kennzeichnend für Änderungen in der Breite und Dicke und Dielektrizitätskonstanten des dielektrischen Streifens 300 ist, wenn der Streifen 300 zwischen der Sonde und der Plattenfläche 298 hindurchgeführt wird.

Spezifisch ist die Ausgangsgröße an entifeder dem Punkt 258
oder 260 proportional zum Ausdruck Gj, + D^₉ wie zuvor aage= geben« Die erste Ableitung hinsichtlich t ist wie folgt;

d (C₁J - C_s) - Ik₁ k₂ (a - p^ - p₂) Ck₁ - kg)
^dt (D-t)kg + ²

Diese kann zu Mull gemacht x-jerden_? wewa. a = P₁ + Pg bei ei= ner nominellen Breite des Streifens 300 ist und bleibt sehr dicht bei Null für eine kleine Änderung oder Änderungen der Breite oder Änderungen in P₁ + p~ einer nominellen Breite
des Streifens 300. Unter diesen Umständen ändern sich die
Ausgangsgrößen an den Punkten 258 und 260 der Impedanz messenden Schaltung 234 der Figur 11 von Hull und zwar bei und nur bei Änderungen in der Breite des Streifens 30, der in
den Figuren 14 und 15 gezeigt ist„

209009/1079

Es sei ami auf die Blockachaltbilder der Figuren 16 und 17 eingegangen, die eine Einrichtung zum Messen der Breite und der Dicke des dieIektrisehen Streifens 300 zeigen und zwar unter Verwendung einer Kapazitätssonde des in den Figuren 14 oder 15 gezeigten

In figur 16 stellen eine leihe von paarweise angeordneten Elektrodensätzen 326, 328, 329, 330 und 331 jeweils die Meß- und Äfogleichkapazitäten nach Masse dar und zwar von jedem Elektroden- oder Spitzensatz 306 und 312; 308 und 314\ 310 und 316; 320 und 324; und 322 und 325 in Figur 15. Die nicht geerdete Seite dieser paarweise angeordneten Kapazitäten 326, 328, 329, 330 und 331 sind an Eingahgsanscnlüsse der Brückenschaltungen 332, 33^* 336 und 337 jeweils angeschlossen, wobei eine elektrische Verbindung zwischen jeder Meßelektrode und zwischen jeder Abgleiehelektrode der Sätze 330 und 331 Torgeseben ist, so daß die Parallelschaltung oder Parallelkombination aus diesen Sätzen als Eingang an die' Brücke 237 angeschlossen ist.» Bie Br-ückenschaltungen 332, 334, 336 und

337 ©lad typische Haetobi!düngen oder Dublikate der Impedanz aessoados Schaltung is ELgiar 11 und deren Eingänge entspre-

eben des Eisgängen 262 und 264»

Ein Ausgang der Brücke 332 ist als ein Eingang zu einem Summierverstärker 338" geführt» Ein. Ausgang der Brücke 334 ist als zweiter" Eingang sum Summierverstärker 338 geführt. Durch geeignete und richtige Verbindung zwischen den paarweisen Kapazitäten 326 und 328 imd Eingängen 262 und 264 der Brücken 332 und 334 und durch richtige Wahl der Ausgänge 258 und dieser Brücken, kann die Ausgangsgröße des Summierverstärkers

338 gleich mit der Größe C^ gemaefat werden» die durch die GleieiniÄg (2) vorausgehend definiert wurde. Dies kann durch AnseiaII©Ben der Spitsen 512 und 314 an die Eingänge 262 und durch Aaaelalielen der Spitsea 30ö imd 308 an die Eingänge

209809/1019

264 und durch Verwendung der Ausgänge oder Ausgangsgrößen 258 der Brücken 352 und 334 erreicht werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Brücke 334- zu eliminieren, wobei dann beide Spitzen 312 und 314 an den Eingang 262 der Brücke angeschlossen werden und beide Spitzen 306 und 308 an den Eingang 264 angeschlossen werden, wie dies in ähnlicher Weise mit der Brücke 337 und den Sätzen 330 und 331 geschah. Die Ausgangsgröße aus dem Summierverstärker 338 wird dann durch die Ausgangsgröße der Drücke 332 ersetzt.

Ein spannungsgesteuerter Oszillator 34-0 gibt ein wechselndes elektrisches Potential ab und dieses wird den Brücken 332, 334-, 336 und 337 als Erregergröße eingespeist. Die Erregergröße VF am Ausgang des Oszillators 34Ό wird durch den Signaleingang zu diesem Oszillator, der aus einem Regler 34-2 stammt, gesteuert. Das Ausgangssignal aus dem Summierverstärker (oder bei der anderen Ausführungsform aus der Brücke 332), welches am Anschluß 344 erscheint, ist somit proportional zu 3? C_D, wobei Cp die Gleichung (2) gegeben ist. Das Augangssignal der Brücke 336, welches am Anschluß 34-6 erscheint, ist proportional zu FC-η, aus Gleichung (1), und das Ausgangssignal der Brücke 337» welches am Anschluß 34-8 erscheint, ist proportional zu 3f C aus Gleichung (3).

Die Anschlüsse 344, 34-6 und 34-8 können an verschiedene Anschlüsse analoger oder digitaler logischer Schaltungsanordnungen angeschlossen werden, um diese dort erscheinenden Signale zu verarbeiten, um ein Signal abzuleiten, welches kennzeichnend für die Breite des Streifens 300 ist, ohne daß dabei Schwankungen oder Änderungen aufgrund von Änderungen in K₂, t oder D, der dielektrischen Materialkonstanten des Streifens, der Dicke oder des Abstandes zwischen Sonde und

209309/1079

Fläche auftreten. Die Funktionselemente dieser logischen Schaltungsanordnung sollen nun in Verbindung mit Figur 16 beschrieben werden.

Die Figuren 17a - 17c geben verschiedene Verbindungsschemata zwischen dieser logischen Schaltungsanordnung und den Anschlüssen 344, 346 und 348 wieder.

Der den Oszillator 340 steuernde Kegler 342 weist Eingangsanschlüsse 350 und 352 auf, welchen ein Signal aufgedrückt ™ wird, das von der Frequenz des Oszillators 340 abhängig ist. Der Regler 34-2 stellt diese Frequenz solange ein, bis die Signale an den Anschlüssen 350 und 352 im wesentlichen gleich sind.

Eine vom Oszillator 340 erregte Brücke 354, die im wesentlichen gleich der Brückenschaltung 334- ist, besitzt fest Kapazitäten 356 und 358 zwischen Masse und den Eingängen 262 und 264 der Brücke 354. Die Kapazitäten 356 und 358 weisen einen Wert auf, der nahezu gleich den nominellen Kapazitäten oder Kapazitätswerten in den Sätzen 326, 328, 329, 330 und 331 ist, jedoch sich um einen festen Betrag, der als Cj₁ defifc niert ist, unterscheiden bzw. von diesem Wert abweichen. Die Ausgangsgröße bei 258 der Brücke 354 wird differentiell einem Differenzverstärker 360 zusammen mit einer Konstanten 362 eingespeist. Die Ausgangsgröße des Verstärkers 360 gelangt zu einem Nenner-Eingang einer Teilerschaltung 364, deren Ausgangsgröße am Anschluß 366 erscheint und diese Ausgangsgröße der Quozient aus einem Signal besteht, welches durch eine Zähler-Eingangsgröße in die Steuerschaltung 364 von einem Anschluß 368 her, das durch das Signal am Nenner-Eingang geteilt wurde, gewonnen wird*

Ein Differenzverstärker 370 ist ebenso in der logischen Scbal°

209809/1079

213754

tungsanordnung vorgesehen und weist zwei Differenzeingänge auf, die an die Anschlüsse 372 und 374 angeschlossen sind, und der Ausgang des Verstärkers 370 zu einem Anschluß 376 führt» Eine weitere Teilerschaltung 378 arbeitet wie die Teilerschaltung 564«, besitzt also einen •Zähler-Eingang, ei= nen Nenner-Eingang und einen Ausgang, die an die Anschlüsse 58O₅ 382 und 384 jeweils augeschlössen sindo Ein Differenzverstärker 386 weist zwei Differenzeingänge auf, wobei der nicht negative Eingang an einen Anschluß 388 geführt ist, der negative Eingang an eine konstante Signalquelle 390 angeschlossen ist und der Ausgang an einen Anschluß 392 geführt ist. Schließlich erzeugt eine konstante Bezugssignalquelle 394 das Bezugssignal I,welches am Anschluß 396 erscheint.

In Figur 17a ist das erste mögliche Verbindungssystem unter den Anschlüssen der Figur 16 gezeigt, wobei die Anschlüsse wie folgt verbunden sinds 344 mit 374? 346 mit 350$ 396 mit 352 und 372j und 376 mit 388„

Bei der Anordnung gemäß Figur 17a uird das am Anschluß 346 erscheinende Signal VF G_fi gleich mit 1 am Anschluß 396 gehalten, was mit Hilf© des Begiers 342 g©schiebt_o Somit gilt

VF-I

Das Signal am Anschluß 344 ist FC^ uad nach Substitution von F durch Gleichung (4) ist das Signal IC_D «, Der Aaeehluß 376 nach dem Verstärker 370 weist daan (XT" die Größe auf

20SiQi/1

Dieser Ausdruck kann durch Ausdrücke der physikalischen Ab maße der Sonde umgeformt werden:

~ ^k2^}

Himmt man an, daß D durch richtige Befestigung der Sonde der Figur 15 relativ zur Fläche 298 konstant gehalten werden kann, so kann die Gleichung (6) unabhängig von Schwankungen in t bei einem nominellen Wert von p,. + Pp gemacht werden, indem man die Sonde entsprechend a = ρ ^ + Po ausführt. Auf diese Weise beeinflussen Schwankungen von t nur die Empfindlichkeit des Systems und nicht das Bestehen oder Fortbestehen einer Abweichung Tom nominellen Wert für p^, + Po·

Schließlich ermöglichen der Verstärker 586 und die konstante Signalquelle 590 eine maßstäbliche Änderung der Gleichung (6) und das Hinzufügen einer jeweiligen Abweichung, so daß die Ausgangsgröße Eo am Anschluß 392 gleich der Breite des Streifens 300 gemacht werden kam«

Gemäß Figur 1?"b siad die Anschlüsse in folgender Weise verbunden i 544 mit 374? 346 axt 350; 368 mit 376? 396 mit 352 und 372 5 und 366 mit 388.

Der Betrieb der Schaltung, di© durch die Verbindungen gemäß Figur 17b erhalten wird, entspricht demjenigen gemäß Figur 17a, mit der Ausnahm©, daß der Anschluß 376, der die Ausgangsgröße des Verstärkers 370 entsprechend der Gleichung (6) führt, zum Anschluß 368_s den Zähler-Eingang der Teilerschaltung 364 zum Teilen durch die Ausgangsgröße des Verstärkers 360 am Nenner-Eingang erscheint.

209809/1079

Die Ausgangsgröße der Brücke 364 ist gegeben durch:

=ICj = t Ck₁ - k₂ + D k₂ (7) Vr~ ^{a λ k}1 ^k2

Wenn die Verstärkung des Verstärkers 360 gleich a 1 k,- k~ ist

Dk und der Wert der Konstanten aus 362 gleich 2 ist,

a 1 L kp dann wird die Ausgangsgröße des Verstärkers 360 gleich t (k^ - ko). Die Teilerschaltung 364 erzeugt dann als Ausgangsgröße ein Signal mit dem Wert:

Eo « I Ca-P₁ - p₂) (8)

a k₂ D

welches sich direkt mit der Breite des Streifens 300 ändert. Der Verstärker 386 und die konstante Signalquelle 390 arbeiten dann in der gleichen Weise wie bei der Ausführung gemäß Figur 17a, so daß am Anschluß 392 ein Signal erscheint, welches gleich der Breite des Streifens 300 oder deren Abweichung von einem vorgegebenen Wert gemacht werden kann.

In Figur 17b wurde angenommen, daß der Abstand/zwischen Sonde und Fläche sich nicht sonderlich ändert. Figur 17c zeigt eine Anordnung, bei der die Möglichkeit besteht, D als Faktor in der Ausgangsgröße der logischen Schaltung zu eliminieren, wenn D variiert.

In Figur 17c sind die Anschlußverbindungen wie folgt: mit 374-; 346 mit 350; 34-8 mit 382·, 368 mit 376; 366 mit 388; 396 mit 352 und 372; und 380 mit 392. Die Betriebsweise ist ähnlich der Ausführungsform gemäß Figur 17b, mit der Ausnah-

209809/1079

me, daß die Ausgangsgröße des Verstärkers 586 durch C_p aus Gleichung (5) dividiert wird, welche Größe am Anschluß 548 vorhanden ist, um somit D aus der Gleichung (8) zu eliminieren.

Figur 18 zeigt nun ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Systems, welches in Verbindung mit der Meßeinrichtung zum Messen der Breite gemäß Figuren 13 und 14 verwendet werden kann, wobei dieses System eine Ausgangsgröße vorsieht, die direkt mit der Breite des dielektrischen Streifens 500 ändert, wenn D konstant ist. Figur 18 zeigt zwei Paare an Sätzen von Meß- und Abgleichkapazitäten 400 und 402. Jede Kapazität in dem Paar 400 ist eine Parallelkombination oder Parallelschaltung der jeweiligen Abgleich- und Meßkapazitäten zwischen Masse und der Außenseite der elektrisch leitenden Spitzen in Figur 15 (d.h. die Spitzen 306 und 508 sind elektrisch verbunden und ebenso sind die Spitzen 512 und 514-verbunden). Das Paar 400 ist an eine Brücke 404 in einer Weise angeschlossen, so daß die Ausgangsgröße der Brücke 400, die in einem an den Ausgang der Brücke 404 angeschlossenen Verstärker verstärkt wird, gleich der Größe C-η aus Gleichung (2) ist. Das Paar 402, welches an die Spitzen 510 und 516 angeschlossen ist, ist auf der anderen Seite an eine Brücke 408 angeschlossen, die ihrerseits an ihrem Ausgangsanschluß einen Verstärker 410 speist, so daß man am Ausgang des Verstärkers 410 ein Signal erhält, welches gleich der Größe C_R aus Gleichung (2) ist. Diese Signale werden differentiell in einem Verstärker 412 verbunden, um eine Ausgangsgröße zu erzeugen, die gleich (Cp - C_ß) ist. Diese Ausgangsgröße aus dem Verstärker 412 wird einer Teilerstufe 414 an einem Zähler-Eingang zugeführt. Der Nenner-Eingang der Teilerstufe n-in. ist an den Ausgang des Verstärkers 410 angeschlossen. Die Ausgangsgröße E_D der Teilerstufe 414 ist demzufolge

2098Q9/1079

213754

°2

Um nun Änderungen in dem Signal E aufgrund von Änderungen in der Dicke t des dielektrischen Streifens 300 zu eliminieren, wird eine Invertier stufe 416 von der Ausgangsgröße des Verstärkers 410 gespeist und die Invertierstufe 382 gibt ein Ausgangssignal ab, welches gleich ist mit 1 . Ein Verstärker

(T*"* 418 mit der Verstärkung 1 a k/j kg wird H differentiell mit der Ausgangsgröße der Inverterstufe 416 gespeist und eine konstante Signalquelle 42O₉ die durch den Ausdruck D

Hk₁

gekennzeichnet ist, gibt ein Aus gangs signal ab, ^reiches gleich der Variablen t (k^ - k₂) ist. Einer weiteren Teilerstufe wird an einem Zähler-Eingang die Größe E_Q zugeführt, und ebenso die Ausgangsgröße des Verstärkers 418 wird einem Nenner-Eingang zugeführt» Die Ausgangsgröße aus der Teilerstufe 422 ist gleich E . Die Ausgangsgröße E der Sei«=

t(k,| -k₂) t(k^ - Sp

lerstufe 422 wird dann einem Verstärker 424 eingespeist, und zwar als eine Eingangsgröße _s t-robei eine konstante Signalgrös«= se aus der konstanten Signalquelle 426 differentiell einem zweiten Eingang des Verstärkers 424 zugeführt ifirdo Die Ausgangsgröße ist dann ein Signal, xfelches gleich der Breite des dielektrischen Streifens 300 ist, nachdem die Verstärkung des Verstärkers 424 und der Wert der konstanten Größe aus 426 in geeigneter Weise eingestellt wurden, wie dies an früherer Stelle für den Verstärker 386 und die konstante Signalquel-Ie 390 in Figur 16 beschrieben wurde.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnungen dargestellten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung»

209809/1079

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   ©Meßsystem oder Nesser zum Messen von Abmaßen unter Ver- _

   wendung einer Abtastkapazität in Form einer Kapazitätssonde, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Einrichtungen und Merkmale:

   a) Ein mit einer Öffnung versehenes elektrisch leitendes Gehäuse ;

   b) wenigstens eine Meßelektrode;

   c) eine Einrichtung zum Haltern jeder Meßelektrode innerhalb des Gehäuses und zwar nahe der öffnung des Gehäuses und isoliert gegenüber dem Gehäuse\

   d) wenigstens eine Abgleichelektrode, die jeder der Meßelektroden entspricht; und

   e) eine Einrichtung zum Haltern jeder Abgleichelektrode in dem Gehäuse und zwar isoliert gegenüber dem Gehäuse.

   2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden und die Abgleichelektroden ähnliche Abmaße aufweisen.

   3. Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Einrichtung zum Haltern der Meß- und Abgleichelektroden ähnliche Abmaße aufweisen.

   M-. Meßsystem nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Haltern der Meßelektrode und die Einrichtung zum Haltern der Abgleichelektrode so ausgeführt sind, daß sie ihre Dielektrizitätskonstante auch bei Umwelteinflüssen im wesentlichen beibe-

   209809/1079

   halten.

   5. Meßsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung so getroffen ist, daß die Kapazitätswerte zwischen Gehäuse und den Meß- und Abgleichelektroden durch Umwelteinflüsse im wesentlichen unbeeinflusst bleiben.

   6. Meßsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Abgleichelektroden axial dünn relativ zum Abstand zwischen Elektroden und Gehäuse ausgeführt sind.

   7. Meßsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) das Gehäuse ein Zylinder ist;

   b) eine erste Anordnung folgende Merkmale und Komponenten enthält:

   i) eine der Meßelektroden;
   ii) einen dielektrischen ersten Hing als Einrichtung zum Haltern der Meßelektrode; und

   iii) einen elektrisch leitenden ersten Hing, wobei die Meßelektrode eine zylindrische· Form aufweist, deren Umfang im wesentlichen parallel zu einer inneren Wand des Gehäuses verläuft und der erste dielektrische Ring den Umfang der Meßelektrode umgibt und elektrischen Kontakt mit diesem aufweist, und weiter der Umfang des dielektrischen Hinges im wesentlichen parallel zur inneren Wand des Gehäuses verläuft und der erste elektrisch leitende Hing den Umfang des ersten dielektrischen Hinges umgibt und elektrischen Kontakt mit diesem und mit dem Gehäuse aufweist; und

   209809/1079

   c) dass eine zweite Anordnung folgende Merkmale und Einrichtungen enthält:

   i) eine der Abgleichelektroden;
   ii) einen zweiten dielektrischen Hing als Halterungs-vor-

   richtung für die Abgleichelektrode; und
   iii) einen zweiten elektrisch leitenden Ring, wobei die

   zweite Anordnung hinsichtlich Gestalt, Form und Aufbau im wesentlichen dieselbe ist wie die erste Anordnung.

   8. Meßsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Meßelektrode, der erste elektrisch leitende Ring und der erste dielektrische Ring im wesentlichen identisch mit jeder entsprechenden Abgleichelektrode sind, daß der zweite elektrisch leitende Hing und der zweite dielektrische
   Ring innerhalb Bearbeitungstoleranzen im wesentlichen besser als ein Tausendstel eines Inch hergestellt sind und zwar zumindest hinsichtlich folgender Abmaße:

   a) die Umfangsform und die Höhe der Elektroden;

   b) die Form der inneren Fläche und die Höhe der Ringe; und

   c) der Gesamtabstand zwischen der inneren Fläche der elektrisch leitenden Ringe und den Außenumfängen der Elektroden entsprechend der Dicke der dielektrischen Ringe, so daß Gleichheit in der Kapazität zwischen Meßelektrode und Gehäuse relativ zur Kapazität zwischen Abgleichelektrode und Gehäuse besteht.

   9. Meßsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Ringe, die dielektrischen Ringe und

   • die Elektroden aufeinander abgestimmte Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen.

   209809/1079

   10. Meßsystem nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) die Vorrichtung zum Haltern der Meßelektrode aus einer ersten dielektrischen Unterlage oder Masse besteht und daß die Meßelektrode einen ersten mittleren Niederschlag oder Auftrag aufweist; und

   b) daß die Vorrichtung zum Haltern der Abgleichelektrode aus einer zweiten dielektrischen Unterlage oder Masse besteht und die Abgleichelektrode einen zweiten mittleren Niederschlag oder Auftrag aufweist, wobei das Gehäuse in geeigneter Weise die erste und die zweite Unterlage oder Masse aufnimmt und festhält und zwar im wesentlichen parallel ausgerichtet, so daß die mittleren Niederschläge oder Aufträge längs einer zentralen Achse, die durchjdas Gehäuse verläuft, ausgerichtet angeordnet sind.

   11. Meßsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) ein erstes elektrisch leitendes mit einem Niederschlag oder Auftrag versehenes Band an der ersten Unterlage oder Masse angeordnet ist und den ersten mittleren Niederschlag oder Auftrag umgibt;

   b) ein zweites mit einem Niederschlag versehenes elektrisch leitendes Band an der zweiten Unterlage oder Masse angeordnet ist, und den zweiten mittleren Niederschlag oder Auftrag umgibt;

   c) eine elektrische Schaltungsanordnung zum Erregen der MeßundAbgleichelektroden mit nahezu gleichen Wechselspannungspotentialen vorgesehen ist und zwar hinsichtlich dem Potential des Gehäuses, um eine NiederfrequenzSignalkomponente zu erzeugen, die kennzeichnend für die Differenz im An-

   2098 0 9/1079

   sprechverhalten zwischen Meßelektrode und Abgleichelektrode aufgrund der Vechselspannungspotentiale ist; und

   d) Mittel zum Versorgen der mit einem Niederschlag oder Auftrag versehenen Bänder mit einem Potential vorgesehen sind, welches nahezu den gleichen Momentanwert aufweist, wie dasjenige der Meß- und Abgleichelektroden.

   12. Meßsystem nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Schützen der Meß- und Abgleichelektroden vorgesehen ist, die die Meß- und Abgleichelektroden in Form eines elektrischen Leiters umgibt, der nahezu das gleiche momentane Potential aufweist als dasjenige, welches den Elektroden zugeführt wird, so daß der von dem magnetischen Fluß zwischen Meßelektrode und einer zu erfassenden Fläche zu dem Gehäuse abgezweigte Fluß minimal gestaltet wird.

   13· Meßsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch

   a) eine Einrichtung zum Erregen der Meß- und Abgleichelektroden mit nahezu gleichem Wechselspannungspotential wie das Potential des Gehäuses und zum Erzeugen einer niedrigen FrequenzSignalkomponente vorgesehen ist, wobei die Signalkomponente kennzeichnend für die Differenz im Ansprechverhalten zwischen Meß- und Abgleichelektroden entsprechend denWechselspannungspotentialen ist;

   b) durch eine Einrichtung zum Leiten der niedrigen Frequenzsignalkomponente zu einer Anzeigevorrichtung dieser niederen Frequenzkomponente; und

   c) eine Schutzeinrichtung für die Einrichtung unter Punkt b) in Form eines diese Einrichtung umgebenden Leiters, der

   209809/1079

   nahezu das gleiche momentane Potential wie diese Einrichtung unter Punkt b) aufweist.

   14. Meßsystem nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche zum Messen der Kapazität zwischen einer Sonde und einer Fläche über einer Vielzahl von getrennten Zonen zwischen der Sonde und der Fläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde folgende Merkmale und Einrichtungen aufweist:

   a) ein aus elektrisch leitendem Material bestehendes Gehäuse, welches ein Volumen definiert und wenigstens ein offenes Ende aufweist}

   b) eine erste und eine zweite Sondenspitzenanordnung, wobei Jede derartige Anordnung folgende Einrichtungen enthält:

   i) einen dielektrischen Streifen oder dielektrisches

   Blatt;
   ii) mehrere elektrisch leitende Sondenspitzen, die dem dielektrischen Streifen oder Blatt zugeordnet sind; und

   c) eine Vorrichtung zum Befestigen jeder Sondenspitzenanordnung in dem Gehäuse, wobei die erste Sondenspitzenanordnung an einem offenen Ende des Gehäuses angeordnet ist und eine frei liegende Fläche definiert, die einen Endabschnitt des Gehäuses darstellt und wobei eine frei liegende Fläche des dielektrischen Streifens oder Blattes und eine freiliegende Fläche jeder der Sondenspitzen der ersten Sondenspitzenanordnung zugeordnet ist, und wobei die zweite Sondenspitz enanordnung im wesentlichen parallel zur ersten Sondenspitzenanordnung und innerhalb dem Gehäuse angeordnet ist.

   15. Meßsystem nach Anspruch 14·, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Sondenspitzenanordnung im wesentlichen

   209809/1079

   identisch sind.

   16. Meßsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) das Gehäuse weiter eine,innere Wand mit rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei/einer öffnung mit rechteckigen Querschnitt die erste Sondenspitz enanordnung gehaltert ist; und

   b) dass mehrere elektrisch leitende rechteckige Sondenspitzen längs der längeren Seite des Rechtecksquerschnitts des Gehäuses angeordnet sind, wobei Jede Umfangskante jeder Son-

   denspitzenanordnung im wesentiLchen parallel zu einer Kante der inneren Wand des Gehäuses verläuft.

   17· Meßsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die folgenden Abmaße, die sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Sondenspitzenanordnung auftreten, im wesentlichen identisch ausgeführt sind und zwar für entsprechende Abschnitte der ersten und zweiten Sondenspitzenanordnung, und daß diese Abmaße innerhalb Toleranzen liegen, die besser als ein Tausendstel eines Inch sind:

   a) die Abstände zwischen den Umfangskanten der Sondenspitzen und der inneren Wand des Gehäuses;

   b) die Dicke jeder Sondenspitze entsprechend ihres Umfanges und zwar auch von einer Fläche zur gegenüberliegenden Fläche jedes dielektrischen Streifens oder Blattes;

   c) die Abmaße jeder Sondenspitze, die parallel zu ihrer Fläche oder Vorderfläche verlaufen} und

   d) der Grad, in dem die Flächen oder Vorderflächen jeder Sondenspitze parallel zu den Flächen oder Stirnflächen der dielektrischen Streifen oder Blätter und parallel zu diesen Flächen verlaufen.

   209809/1079

   18. Meßsystem nach einem der Ansprüche 14- bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) jeder dielektrische Streifen oder Blatt aus einer dielektrischen Unterlage oder Masse besteht; und

   b) jede elektrisch leitende Sondenspitze aus einem elektrisch leitenden Niederschlag oder Auftrag auf die Unterlage oder Masse besteht.

   19. Meßsystem nach einem der vorangegangenenAnsprüche, zur elektronischen Erfassung von Änderungen in einem ersten Paramter, der die Kapazität zwischen einer Sonde und einer Fläche beeinflußt, gekennzeichnet durch

   a) eine Fläche;

   b) eine kapazitive Sonde mit einer Vielzahl von Elektrodensätzen, wobei jeder Elektrodensatz·eine Meßelektrode aufweist, die einen kurzen Abstand von der Fläche aufweist, so daß eine Bahn zwischen Fläche und Meßelektroden definiert ist, und die Kapazität zwischen jeder Meßelektrode und der Fläche durch eine Vielzahl von Parametern, inklusive dem ersten Parameter, in unterschiedlicher Weise für jede Meßelektrode beeinflußt wird;

   c) Mittel zum Erzeugen eines Signals für jede Meßelektrode, wobei jedes Signal sich mit der Kapazität zwischen der zugeordneten Meßelektrode und der Fläche ändert; und

   d) durch eine Einrichtung zum Verarbeiten der Signale, um eine Ausgangsgröße zu erhalten, die kennzeichnend für den ersten Parameter ist, und zwar im wesentlichen isoliert von den Einflüssen der anderen Parameter.

   20. Meßsystem nach Anspru-ch 19, dadurch gekennzeichnet, daß

   209809/1079

   a) der erste Parameter die Weite von Kante zu Kante eines dielektrischen Streifens betrifft, wobei der Streifen längs der Bahn zwischen Sonde und Fläche geführt wird; und

   b) die Einrichtung zum Erzeugen eines Signals folgende Einrichtungen und Merkmale enthält:

   i) Mittel zum Entwickeln eines ersten Signals aus den Signalen, welches sich mit der Kapazität zwischen der Fläche " und wenigstens zwei ersten Meßelektroden von jeweils

   wenigstens zwei ersten Elektrodensätzen, entsprechend wenigstens zwei ersten Zonen jeweils ändert, wobei die ersten Zonen die gegenüberliegenden Kanten des dielektrischen Streifens sind;

   ii) durch eine Einrichtung zum Entwickeln eines zweiten Signals aus den Signalen, welches sich mit der Kapazität zwischen einer zweiten Meßelektrode eines zweiten Elektrodensatzes und der Fläche durch oder über eine zweite Zone ändert, die die Zone des dielektrischen Streifens zwischen den Kanten des dielektrischen Streifens umfasst.

   21. Meßsystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Einrichtung zum Entwickeln eines dritten Signals aus den Signalen vorgesehen ist, welches kennzeichnend für die Kapazität zwischen der Fläche und wenigstens einer vierten Meßelektrode eines vierten Elektrodensatzes ist und zwar über oder durch eine vierte Zone, ausschließlich aller Abschnitte des dielektrischen Streifens.

   22. Meßsystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Entwickeln eines Signals folgende Merkmale und Einrichtungen enthält:

   209809/1079

   a) Mittel zum Ableiten eines den Abstand kennzeichnenden Signals aus dem dritten Signal, welches den Abstand zwischen der Fläche und der Sonde wiedergibt? und

   b) eine Einrichtung zum Verbinden des den Abstand kennzeichnenden Signals mit dem ersten und dem zweiten Signal, um den Einfluß von Schwankungen in dem den Abstand kennzeichnenden Signal in der Ausgangsgröße zu eliminieren.

   23. Meßsystem nach den Ansprüchen 20, 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) die Einrichtung zum Erzeugen eines Signals einen Oszillator zum Vorsehen eines Wechselspannungspotentials enthält, wobei das erste und das zweite Signal direkt mit der !Frequenz und dem Wert des Wechselspannungspotentials geändert wird; und

   b) die Einrichtung zum Verarbeiten der Signale Mittel zum Einstellen der Ausgangsgröße des Oszillators enthält, um den Wert des zweiten Signals auf einem vorgewählten Wert zu halten.

   24. Meßsystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet«, daß

   a) eine Einrichtung zum Konvertieren der Schwankungen in der Ausgangsgröße des Oszillators in ein die Dicke kennzeichnendes Signal vorgesehen ist, welches sich mit den Schwankungen oder Änderungen in der Dicke des Streifens ändert5 und

   b) die Einrichtung zum Verarbeiten der Signale, Mittel zum Verbinden des die Dicke kennzeichnenden Signals mit dem ersten Signal enthält, um den Einfluß von Schwankungen oder Änderungen in der Dicke des Streifens in der Ausgangsgröße zu eliminieren.

   209809/107 9

   25· Meßsystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Entwickeln eines dritten Signals, aus den Signalen, vorgesehen ist, welches für die Kapazität zwischen der Fläche und wenigstens einer dritten Meßelektrode über oder durch eine Zone kennzeichnend ist, die sämtliche Abschnitte des dielektrischen Streifens nicht enthält.

   26. Meßsystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verarbeiten der Signale weiter folgende Merkmale und Einrichtungen enthält:

   a) Mittel zum Ableiten eines den Abstand kennzeichnenden Signals aus dem dritten Signal, welches den Abstand zwischen der Fläche und der Sonde wiedergibt; und

   b) Mittel zum Verbinden des den Abstand wiedergebenden Signals mit dem ersten und dem zweiten Signal, um den Einfluß von Schwankungen in dem den Abstand wiedergebenden Signal in der Ausgangsgröße zu eliminieren.

   27. Meßsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch'gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Erregen der Meß- und Abgleichelektroden mit einem relativ zum Massepotential schwankenden elektrischen Potential vorgesehen ist, wobei das Gehäuse auf diesem Massepotential liegt, und um eine Differenz in dem von der Meß- und Abgleichelektrode nach dem Massepotential fließenden Strom anzuzeigen.

   28. Meßsystem nach Anspruch 2?, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erregen der Meß- und Abgleichelektroden Mittel zum nahezu Aufrechterhalten der momentanen elektrischen Potentiale, die den Meß- und Abgleichelektroden aufgedrückt werden, enthält.

   209809/1079

   213754

   29. Meßsystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erregen der Meß- und Abgleichelektroden ferner folgende Merkmale und Einrichtungen enthält:

   a) einen Oszillator; und

   b) Mittel zum Lenken des Stromes aus dem Oszillator durch den ersten und zweiten Zweig einer Brücke zu den Meß- und Abgleiche lektroden, wobei ein Zweig der Brücke den Strom zu jeder Meßelektrode leitet und der andere Zweig den Strom zu jeder Abgleichelektrode während einer Polarität des Stromes durch die Brücke leitet, und jeder Zweig der Brükke während der entgegengesetzten Polarität des Stromes den Strom zu der anderen jeder Meß- und Abgleichelektrode leitet, so daß der mittlere Stromfluß durch jeden Zweig der Brücke ein Signal darstellt, welches die Differenz im Strom von den Meßelektroden und den Abgleichelektroden nach Massepotential kennzeichnet.

   30. Meßsystem nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Brückenzweig hohe Wechselstromimpedanzen enthält, die jeweils mit ihrem einen Anschluß verbunden sind und dort mit dem Oszillator verbunden sind, und deren anderer Anschluß an erste gegenüberliegende Punkte eines Diodenringes angeschlossen sind, wobei die Meß- und Abgleichelektroden an die gegenüberliegenden Punkte des Diodenringes angeschlossen sind, daß weiter ein Tiefpaßfilter an die ersten gegenüberliegenden Punkte angeschlossen ist, um das Signal zu einer Anzeigevorrichtung oder Steuereinrichtung hindurchzulassen.

   31. Meßsystem nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Abschnitte so ausgelegt und beschaffen sind, daß sie ihre

   209809/1079

   Dielektrizitätskonstante auch bei Umwelteinflüssen, die auf die Meßsonde wirken, im wesentlichen beibehalten.

   32. Meßsystem nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrischen Abschnitte so beschaffen sind, daß sie für Material aus der Umgebung der Meßsonde undurchdringbar sind und dieses Material nicht absorbieren.

   33· Meßsystem nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Abdichten der Öffnung des Gehäuses gegen ein Eindringen von Material aus der Umgebung der Sonde vorgesehen sind.

   34·. Meßsystem nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitte3Jzum Abdichten aus einer Gehäuseabdeckung am offenen Ende des Gehäuses bestehen, die sich über die freiliegende Fläche der ersten Anordnung erstreckt.

   209809/1079