DE2218824C3

DE2218824C3 - Verfahren zum Messen der Verschiebung einer Elektrode eines Differentialkondensators relativ zu den anderen Elektroden

Info

Publication number: DE2218824C3
Application number: DE2218824A
Authority: DE
Inventors: Hans Ulrich Morges Waadt Meyer (Schweiz)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-03-22
Filing date: 1972-04-14
Publication date: 1975-02-20
Also published as: NL7303858A; FR2176724B1; GB1366284A; DE2218824B2; BR7301987D0; NL182173C; DE2218824A1; US3857092A; NL182173B; JPS5623090B2; FR2176724A1; JPS498266A; CH539837A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Verschiebung einer Elektrode eines Differentialkondensators relativ zu den anderen Elektroden, bei dem die beiden Elektroden mit Wechselspannungen beaufschlagt werden und die auf der einen Elektrode induzierte Spannung in eine der Verschiebung proportionale Anzeigespannung umgeformt wird.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (siehe deutsche Patentschrift 953 745) werden die beiden anderen Elektroden von zwei zueinander um 180' phasenverschobene Sinusspannungen beaufschlagt, und die induzierte Spannung wird im Wege der Demodulation in die Anzeigespannung umgeformt. Die induzierte Spannung schwankt proportional mit der Verschiebung, hat also im allgemeinen einen von Null abweichenden Wert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte Verfahren derart auszuführen, daß die induzierte Spannung gegen Null geht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Elektroden abwechselnd mit zwei unterschiedlichen Referenzgle^;chspannungen einerseits und mit der Anzeigespannung andererseits beaufschlagt werden und daß über Regelglieder die Anzeigespannung derart variiert wird, daß die auf der einen Elektrode induzierte Spannung Null wird.

Der Vorteil dieser Maßnahmen besteht darin, daß sich Kabelkapazitäten der die induzierte Spannung

\ ⁴

führenden Leitung nicht störend auswirken können. /

Hinzu kommt, daß aus diesem Grunde auch der Dif- - — X

ferentialkondensator klein sein kann. Schließlich wird ^22. ₌ 1

auch nicht mehr mit Sinusschwingungen, sondern init C₂₃ ~" L

Gleichspannungen gearbeitet, die über Schalter an die 5 — + X

Elektroden des Kondensators angelegt werden, was

den apparativen Aufwand wesentlich verringert. Man _L

beachte hierbei insbesondere, daß es relativ aufwen- ^Dies S"'¹» solange X kleiner als ^- ist und man von

dig ist, Sinusschwingungen möglichst rein zu erzeugen den Randeffekten absieht

und konstant zu halten und schließlich die induzierte t. Wechselt nun die Spannung K₀₁ vom Wert K₀ zum

Spannung zu demodulieren. «/ort ν .^„i j._ -^,.,..„P Ά j. τ _j.._°„ η

^ Langen-

meßeinrichtungen sind zwecks Erläuterung in den

Fig. 1 bis 7 dargestellt. Es zeigt O=C (V-V)

F i g. 1 ein allgemeines Prinzipschema, t₅ * ^1S^ * °

Fig. 2 die den Elektroden des Meßwertaufneh- Gleichzeitig wechselt aber K₀, vom Wert V₀ zum

merszugefuhrten Spannungen _Wert _v „*„ _dadurch _M »- β

Fig. 3 die ideale und wirkliche Meßkurve des übertragen·
Systems,

F i g. 4 ein Beispiel eines analogen Regelteiles, ao &t ~ ^CiA^Vi ~ ^VJ ■

Fig. 5 ein Beispiel eines digital-analogen Regel- ht die übertragene Gesamtladung gleich Null, also teiles,

Fig. 6 eine Erweiterung des Systems für größere ßi ⁼ ^'

Meßlängen, _{hat man} k_ej_nen induzierten Spannungssprung auf der

T,^lg·⁷ den Spannungsverlauf der Ausgänge des a_S Elektrode 53, mit anderen Worten keine induzierte

Zählers gemäß F ι g. 6. Wechselspannung K₁.

^Wl*!" ^F' 8· * tPj*^x& ^{wird eine} Elektrode 51 In diesem Falle hat man die Beziehung:

eines Differentialkondensators 5 durch einen ersten , _y , y

elektronischen Schalter 1 an eine Referenzgleich- V₀ - ( — ) V₁ f- I- + -JK₂

spannung V₁, und durch einen zweiten elektronischen 30 \² L] \ 2 L)

Schalter 2 an den Ausgang eines Regelteiles 7, der V₀ ist also, für den Fall, daß die Wechselspannung

weiter unten beschrieben wird, angeschlossen. Eine K₃ = O ist, eine lineare Funktion der Verschiebung X.

Elektrode 51 wird auf ähnliche Weise durch einen Die wirkliche Funktion zeigt F i g. 3. Theoretisch

dritten elektronischen Schalter 3 an eine zweite sollte man zwischen den Verschiebungswerten

Refcrcnzgleichs^annung V₂, und durch einen vierten 35 _v l l

elektronischen Schalter 4, auch an den Ausgang des * 2 ^und ^X '" 2 ^{eine Gerade haben}· ^Durch

Regelteiles 7 angeschlossen. Es sei hierbei bemerkt, die Randeffekte, die von der Geometrie abhängen,

daß eine der beiden Referenzgleichspannungen V_x entstehen aber leichte Abweichungen an den Be-

oder V₂ gleich Null sein kann. reichsenden. Dem kann leicht abgeholfen werden,

Die elektronischen Schalter werden nun von einem 40 indem man L etwas größer als den Meßbereich

Rechteckwellen-Generator 8 und einem diesem Ge- macht, und indem man einen genügend kleinen Ab-

nerator nachgeschalteten Inverter 9 so angesteuert, stand zwischen den Belägen wählt,

daß während des einen Teils der Periode des Ge- J_n der hier beschriebenen Schaltung wird die Span-

nerators 8 die Schalter 1 und 3 leiten und so die nung V₀ automatisch so eingestellt, daß die auf der

Elektroden 51 und 52 an die Referenzgleichspan- 45 Elektrode 53 des Differentialkondensators 5 indu-

nungen V₁ bzw. V₂ angeschlossen sind, und während zierte Wechselspannung V₉ dem Wert Null zustrebt,

des anderen Teils der Periode die Schalter 2 und 4 Die Elektrode 53 ist direkt oder durch kapazitive

leiten und so beide Elektroden an dem Ausgang des Kopplung dem Eingang eines Wechselstrom-Vorver-

Regelteiles 7 liegen. stärkers 6 angeschlossen. Dieser Vorverstärker 6

Fig. 2 zeigt die an den Elektroden 51 und 52 50 wirkt als Impedanzwandler, um die induzierte Spanauftretenden Rechteckspannungen K₀₁ und V₀,. Die nung V₃ nicht zu belasten und um Rückwirkungen Spannung K₀ ist die Ausgangsspannung des Regel- der nachfolgenden Schaltung auf den Eingang zu verteiles 7, die zugleich die Anzeigespannung ist. Weisen hindern. Der Ausgang des Vorverstärkers 6 ist mit die Schalter keine Restspannungen auf, was zum Bei- dem Eingang des Regelteiles 7 verbunden. Dieser spiel bei Feldeffekt-Aanalog-Schaltem der Fall ist, 55 Regelteil 7 hat die Funktion, seine Ausgangsspanwerden die Spannungen an den Elektroden 51 und 52 nung K₀ so zu verändern, daß die auf der Elektrode K₀₁ und K₀₂, abwechselnd die Werte K₀ und K, bzw. 53 induzierte Wechselspannung dem Wert Null zu- V₂ annehmen. strebt. Verschiebt man die Elektrode 53, wird sich

Es sei nun L die in der Verschiebungsrichtung ge- also die Ausgangsspsnnung K₀ des Regelteiles so vermessene Länge einer Elektrode 53 des Differential- 60 ändern, daß die induzierte Wechselspannung wieder kondensators 5 und Λ' der Wert der Verschiebung. gleich Null wird. Die folgenden Schaltungen sind als A' ist Null in der Mittenstellung, d. h. wenn die beiden Verwirklichungsbeispiel eines solchen Regelteiles Teilkapazitäten C_n und C₂₃ einander gleich sind. Da- gegeben.

bei wird auch angenommen, daß die senkrecht ge- Eine erste Schaltung zeigt Fig. 4. Die Ausgangs-

messene Distanz zwischen den Elektroden konstant 65 wechselspannung K₄ des Vorverstärkers 6 wird dem

bleibt. Dann hat man den folgenden Zusammenhang Synchron-Demodulator 71 zugeführt. Die Polarität

zwischen der Meßverschiebung X und dem Quotien- der Ausgangsspannung dieses Synchron-Demodula-

ten der zwei Teilkapazitäten C₁₃ und C₂₃: tors 71 ist durch die Phasenlage der Eingangsspan-

5 6

nung gegeben. Der nachgeschaltete Integrator 72 an- nehmer besteht, wie zuvor, aus zwei sich gegenüberdert seine Ausgangsspannung in einem, durch die stehenden Flächen, wobei sich die eine gegenüber der Polarität der Ausgangsspannung des Demodulators anderen parallel verschieben kann. Auf der ersten gegebenen Sinn. Erfolgt die Steuerung des Synchron- Fläche sind Elektroden 53 und 34 angebracht. Die Demodulators durch die richtige Phase, wird der 5 eine Hälfte 53 der Elektroden wird direkt oder durch Regelteil 7 seine Ausgangsspannung K₀ immer so kapazitive Kopplung an den Vorverstärker 6 anändern, daß die von dem Empfängerbelag ab- geschlossen, die andere Hälfte der Elektroden 54 ist gegebene Wechselspannung K₃ dem Nullwert zustrebt. an die Masse gelegt. Die Anordnung ist so, daß

Eine Abänderung der beschriebenen Regelschal- jeweils zwischen zwei an den Vorverstärker an-

rung mag darin bestehen, daß man den Integrator ίο geschlossenen Elektroden 53 eine an Masse an-

durch einen Differenz-Integrator ersetzt, d. h. durch geschlossene Elektrode 54 liegt. Es sei T die Distanz,

einen Integrator, der die Differenz zwischen zwei die die Mitte zweier Elektroden, die an den gleichen

Eingangssignalen integriert. Die Schaltung eines Diffe- Punkt angeschlossen werden, trennt. Auf der gegen-

renz-Integrators ist in Fachkreisen bekannt, so daß überliegenden Fläche kommen, auf einer T ent-

auf die Beschreibung derselben hier verzichtet werden 15 sprechenden Strecke, je 2 N Elektroden, wobei N

kann. Den beiden Eingängen des Differenz-Integrators eine ganze Zahl ist. In Fi g. 6 ist z. B. N 5. Die 2 ,V

werden nun je 1 Synchron-Demodulator vorgeschal- Elektroden 31 bis 40 werden nun an die beiden, vor-

tet. Die Eingänge beider Synchron-Demodulatoren hin beschriebenen Wechselspannungen K₀₁ und K₀.,

sind an den Ausgang des Vorverstärkers 6, also an so angeschlossen, daß jeweils N aufeinanderfolgende

die Wechselspannung K₄ angeschlossen, und beide »o Elektroden an K₀₁ und die N nächsten Elektroden an

Synchron-Demodulatoren werden mitentgegengesetz- K₀₂ angeschlossen sind. Dies geschieht durch die

ten Phasen angesteuert. Diese wenig aufwendige 2 W elektronischen Schalter 11 bis 20, die die 2 N

Schaltung gibt wegen der ununterbrochenen Inte- Elektroden 31 bis 40 an die Wechselspannung K_n,

gration eine bessere Störfestigkeit. anschließen, und die 2 N weiteren elektronische π

Die Meßgenauigkeit des Systems macht es für eine 35 Schalter 21 bis 30, die dieselben Elektroden 31 bis

digitale Auswertung der Messung geeignet. Eine 40 an die Wechselspannung K₀₂ anschließen. Die

solche Auswertung wird durch einen nachgeschalte- Schalter 11 bis 30 werden nun so gesteuert, daß

ten Analog-Digital-Wandler ermöglicht. Man kann jeweils N aufeinanderfolgende Elektroden an dieselbe

aber auch den Regelteil so auslegen, daß er gleich- Wechselspannung angeschlossen sind, und somit elek-

zeitig die Funktion des Analog-Digital-Wandlers er- 30 ... , . _. , , , τ . .,,

füllt Ein Ausführungsbeispiel zeigt F i g. 5. Der Aus- ^tnsch S^{esehen eme} Elektrode der Lange ₂ h.lden.

gang des Vorverstärkers ist dem Eingang des Die zweite Elektrode ist aus den N nächsten Elektro-

Komparators 73 angeschlossen. Die Ausgangsspan- den gebildet usw. Für eine gegebene Zuteilung der

nung des Komparators wird mit der Vergleichsspan- Elektroden 31 bis 40 hat man also eine Meßlänge

nung K₈, die vom Rechteckwellen-Generator 8 gelie- 35 von T/N. Wird nun diese Meßlänge in einer ge-

fert wird, in einem digitalen Synchron-Demodulator gebenen Richtung überschritten, wird die Zuteilung

74, der zum Beispiel aus einen Exklusiv/Oder-Tor der Elektroden um eine Elektrode verschoben. Waren

besteht, verglichen, und der nachgeschaltete Auf- z. B. die Elektroden 33, 34, 35, 36, 37 an K₀₁, die

wärts/Abwärts-Zähler 75 zählt je nach dem Zustand Elektroden 38, 39, 40, 31, 32 an K₀₂ angeschlossen,

am Ausgang des Tores 74 auf oder ab. Die Zähl- 40 und hat sich die Fläche, die die Elektroden 53 und

frequenz ist durch den Pulsgenerator 77 gegeben. Der 54 aufweist, relativ zu der Fläche, die die Elektroden

Ausgang des Zählers 75 wird einem Digital-Analog- 31 bis 40 aufweist, nach rechts verschoben, werden

Wandler 76 angeschlossen, und die erhaltene Aus- als nächstes die Elektroden 34, 35, 36, 37, 38 an

gangsspannung ist gleich der Meßspannung K₀. Der K₀₁ und die Elektroden 39, 40, 31, 32, 33 an K₀₂

digitale Wert von K₀ könnte also direkt vom Zähler 45 angeschlossen. Die Steuerungslogik der elektronischen

75 abgegeben werden. Es ist aber vorteilhaft, einen Schalter 11 bis 30, die diese Funktion zu erfüllen hat,

zweiten Aufwärts/Abwärts-Zähler 78 an dasselbe Tor ist einfach. Ist die Grenze eines einzelnen Bereiches

74 und an denselben Pulsgenerator 77 anzuschließen, überschritten, entstein z. B. durch den Überlauf des

und den Ausgang dieses Zählers 78 einer Dekodier- im Regelteil oder im Analog-Digital-Wandler enthal-

und Anzeige-Einheit 79 zuzuführen. Diese Lösung 50 tenen Zähler em PnIs, der den Aufwärts/Abwärts-

hat zwei Vorteile: Erstens kann der zweite Zähler Zähler J₁ um eme Einheit weiter zählen läßt. In an-

dnrch einen Schalter 70 an einer beliebigen Stelle auf deren Worten sind beide Zähler einfach hmterein-

NuIl bzw. auf eine vorgewählte Zahl gestellt werden, andergeschaltet. Der Zähler Z₁ ist em /V-stufiger

and zweitens kann der erste. Zähler 75 binär sein, Aufwärts/Abwärts-Johnson-Zähler.

was für den Digital-Analog-Wandler günstiger ist, 55 Fig.7 zeigt ein typisches Spannungsdiagramm

während der zweite Zähler im BCD-Code, also dezi- eines Sstuügen Johnson-Zählers. Das Signal am

mal, zäWt, was für die Auswertung günstiger ist. Af-Emgang bestimmt die Zählrichtung, dasjenige am

Die Genauigkeit des Systems, gepaart mit dem ein- C-Eingang die Zählfolge. K₁₁ bis K₁₅ sind die an den fgehen mechanischen Aufbau des MeSwertaufneh- 5 Ausgängen gemessenen Spannungsverläufe. Diese mere, machen es möglich, das System durch anein- 60 Ausgänge steuern mm einerseits die Schalter S₁₁ bis andergeremte eektnjden,die nacheinander elektrisch S₁₅ und S_x bis S₃₀, und werden andererseits den Inangeschlossen werden, so zu ergänzen, daß man grö- vertem/, bis /₅ zugeführt, welche ihrerseits die Schalßere Längen mit einer hohen Genauigkeit messen ter S₁, bis S_w und S_n bis S₈₈ ansteuern. Dadurch erkann. F i g. 6 zeigt, wie die Einrichtung für gröbere gibt sich die gewünschte Anschhißkonftguration der Meßlängen erweitert werden kann. Der Meßwertauf- 65 Elektroden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der Verschiebung einer Elektrode eines Differentialkondensaiors relativ zu den anderen Elektroden, bei dem die beiden Elektroden mit Wechselspannungen beaufschlagt werden und die auf der einen Elektrode induzierte Spannung in eine der Verschiebung proportionale Anzeigespannung umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (51, 52) abwechselnd mit zwei unterschiedlichen Referenz-Gleichspannungen (V₁, F.,) einerseits und mit der Anzeigespannung (F₀) andererseits beaufschlagt werden und daß über Regelglieder(6, 7) die Anzeigespannung(F₀) derart variiert wird, daß die auf der einen Elektrode (53) induzierte Spannung (K.,) Null wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß elektronische Schalter (1, 2, 3, 4) vorgesehen sind, welche die Referenzgleichspannungen (F₁, V₂) und die Anzeigespannung (V₀) abwechselnd an die Elektroden (51, 52) legen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Referenz-Gleichspannungen Null ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (1 bis 4) Analog-Schalter in Feldeffekt-Bauart sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Elektrode (53) ein Vorverstärker (6) mit hoher Eingangsimpedanz über Kopplungsmittel nachgeschaltet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelglieder (6, 7) einen synchronen Demodulator (71), an welchen ein Integrator (72) angekoppelt i-.t, aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelglieder (6, 7) zwei mit entgegengesetzten Phasen angesteuerte Synchron-Demodulatoren aufweisen, deren Ausgänge über Kopplungsmittel an je einen Eingang eines Differenzintegrators angeschlossen bind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelglieder (6, 7) aus einem Komparator (73), sowie einem diesem Komparator (73) nachgeschalteten digitalen Synchron-Demodulalor (74) bestehen, dessen Ausgang an den die Zählrichtung bestimmenden Eingang eines Zählers (75) angeschlossen ist, welcher seinerseits ausgangsseitig an einen Digital-Analog-Konverter (76) angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein weilerer Zähler (78) auch an den Ausgang des digitalen Synchron-Demodulators (74) angeschlossen ist, und daß man diesen weiteren Zähler (78) an jeder beliebigen Stelle entweder auf Null oder auf eine beliebige Zahl einstellen kann, wobei an diesem Zähler (78) Ablese- oder Auswertungsmittel (79) angeschlossen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2

bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer der Flächen des Meßwert-Aufnehmers (5) eine Anzahl Elektroden (31 bis 40) gleicher Länge aufeinanderfolgen, die durch schaltungstechnische Mittel (11 bis 30) so angeschlossen werden, daß mehrere aufeinanderfolgende Elektroden (31 bis 40) eine Elektrode bilden, die sich der zu messenden Verschiebung entsprechend verschiebt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Mittenabstand zwischen zwei Empfängerelektroden (53, 54) jeweils 2 N Geberelektroden kommen, daß den einzelnen Geberelektroden (31 bis 40) durch elektronische Schalter (11 bis 30) eine der beiden Wechselspannungen (F₀₁, F₀*) zugeführt wird, so daß immer eine ganze ZahliV aufeinanderfolgender Geberelektroden an eine der Wechselspannungen, die nächsten N Elektroden an die andere Wechselspannung angeschlossen sind, und daß, wenn die Grenzen einer Meßstrecke überschritten sind, sich die Spannungszuteilung dementsprechend um eine Elektrode verschiebt.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (11 bis 30) von einem, dem Zähler eines Digital-Analog-Wandlers angeschlossenen bi-direktionellen Johnson-Zähler über mehrere Inverter (/, bis /.) angesteuert werden.