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" Vorrichtung zur kapazitiven Dehnungsmessung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Dehnungen
oder Spannungen, insbesondere einen biaxialen kapazitiven Dehnungsmesser.
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Es ist üblicherweise wünschenswert, die auf verschiedene Elemente
einer Struktur einwirkenden Belastungen und Kräfte zu bestimmen, um sicherzustellen,
daß diese Elemente in der geeigneten Weise konstruiert sind, um den auf sie einwirkenden
Belastungen mit einem gewissen Sicherheitsspielraum standhalten zu können. Während
in einfachen Strukturen bei Kenntnis der Belastungen die Spannungskräfte leicht
berechnet werden können, werden diese Berechnungen für komplizierte Strukturen und/oder
unbekannte Lasten unverhältnismäßig komplex und ihre Lösung ist in vielen Fällen
praktisch unmöglich. So ist es in vielen Anwendungsbereichen wünschenswert, die
Kräfte empirisch zu bestimmen. Im allgemeinen sind die Kräfte einer
direkten
Messung nicht zagänglich. Vielmehr wird die mit der angreifenden Kraft in einer
direkten funktionalen Beziehung stehende Dehnung oder Deformation des Materials
unter Verwendung von Dehnungs- oder Spannungsmessern gemessen.
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Ein Dehnungsmesser oder Dehnungsmeßwandler ist eine Vorrichtung, welche
eine Änderung einer-elektrischen Größe in Abhängigkeit der Spannung oder der Deformation
des Materials zeigt, mit dem sie verbunden ist. Der am weitesten verbreitete Typ
ist der Widerstandsdehnungsmesser, umfassend einen Draht, der bei Dehnung eine Änderung
seines elektrischen Widerstandes zeigt. Dieser Draht des Widerstandsdehnungsmessers
wird an-der Oberfläche des-Materials, in dem eine Spannung gemessen werden soll,
so befestigt, daß die auftretende Spannung oder Dehnung eine entsprechende Änderung
des Widerstandes hervorruft. Eine geeignete elektronische Schaltung, die üblicherweise
eine Wheatstone-Brücke umfaßt, dient dazu, die Änderung des Widerstandes und damit
die Dehnung zu erfassen und zu messen.
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Unglücklicherweise zeigen Drähte, welche die wünschenswerten Eigenschaften
für eine Verwendung in Widerstandsdehnungsmessern aufweisen, im allgemeinen auch
Änderungen des Widerstandes in Abhängigkeit von Temperaturänderungen. Für kurze
Zeitabschnitte können diese Änderungen durch eine Temperaturkompensationsschaltung
kompensiert werden. Längeres Einwirken von höheren Temperaturen aber kann zu Änderungen
des Widerstandes führen, die durch unter der Bezeichnung zthermisches Altern" bekannte
Erscheinungen hervorgerufen werden. Diese
Änderungen des Widerstandes
können im allgemeinen nicht kompensiert werden.
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Eine andere Art von Dehnungsmessern oder Dehnungsmeßwandlern verwendet
die Änderung einer Kondensatorkapazität in Abhängigkeit der Dehnung oder Spannung
als Meßgröße. Die bisherigen kapazitiven Dehnungsmesser sind in der Weise ausgebildet,
daß die operativen Elemente der Vorrichtung der Belastung ausgesetzt sind. In diesen
kapazitiven Dehnungsmessern und in Widerstandsdehnungsmessern, bei denen in ähnlicher
Weise das elektrische Widerstandselement den einwirkenden Kräften ausgesetzt ist,
ändern sich die elektrischen Eigenschaften der Meßvorrichtungen allmählich-bei längerer
Einwirkung einer Belastung als Folge einer permanenten Deformation der belasteten
Elemente. Diese Erscheinungen werden allgemein als "Kriechen" bezeichnet. Infolge
des Kriechens und des thermischen Alterns sind Dehnungsmesser im allgemeinen instabil,
wenn sie Uber lange Zeiträume-und insbesondere bei hohen Temperaturen verwendet
werden.
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Im allgemeinen sind Dehnungsmesser einachsig, d.h. sie reagieren nur
auf Dimensionsänderungen in einer einzigen Richtung.
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Um die Kräfte an einem Punkt genau bestimmen zu können, ist es aber
notwendig, dle Dehnung oder Spannung in mindestens zwei Richtungen zu messen, woraus
sich die wahre Größe und Richtung der Spannung bestimmten läßt. Zu diesem Zwecke
können zwei oder mehr Dehnungsmesser nahe beieinander und mit einer bestimmten Winkelstellung
zueinander an der zu untersuchenden Oberfläche angebracht werden. Diese Annäherung
wird ungenau, j
wenn die tatsächlich gemessenen Spannungen-nicht
an exakt der gleichen Stelle auftreten. Daher sind im allgemeinen Dehnungsmesser
vorzuziehen, die übereinandergeschichtet werden können, um auf diese Weise einen
mehrachsigen Dehnungsmesser zu schaffen. Dieser kann auf in unterschiedlichen Richtungen
wirkende Spannungen ansprechen, -die im wesentlichen an ein und derselben Stelle
der zu prüfenden Materialoberfläche registriert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Dehnungsmesser
anzugeben, der eine verbesserte Langzeitstabilität aufweist und im wesentlichen
unanfällig ist für thermisches Altern und Kriechen. Ferner soll der kapazitive Dehnungsmesser
so ausgebildet sein, daß er für die Herstellung eines mehrachsigen kapazitiven Dehnungsmessers
geeignet ist und bei einfacher Bauart zuverlässig und genau arbeitet.
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Zur Lösung dieser Aufgaben wird gemäß einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung ein zweiachsiger kapazitiver Dehnungsmesser mit einer lamellaren Schichtenstruktur
vorgeschlagen, die zwei einachsige kapazitive Dehnungsmesser mit orthogonal zueinander
liegenden~Messrichtungen definiert. Jeder kapazitive Dehnungsmesser umfaßt aktive
durch einen Oszillator erregt Kondensatorplatten und eine Kondensatormeßplatte,
die in einem Abstand zu den erregten Kondensatorplatten und parallel zu diesen angeordnet
ist. Ein Blendenmechanismus in Form zweier mit Durchbrechungen versehenen Blendenplatten
1st zwischen den aktiven Kondensatorplatten und den Kondensatormeßplatten angeordnet.
Die Endabschnitte der mit Durch- j
brechungen versehenen Blendenplatten
ragen aus der Schichtenstruktur und sind mit der Oberfläche verbunden, in welcher
eine Spannung oder Dehnung gemessen werden soll. Eine Spannung führt zu einer relativen
Verschiebung zwischen den Blendenplatten, was wiederum elne Xnderung der durch die
Durchbrechungen hindurch erfolgenden kapazitiven Kopplung zwischen der Kondensatormeßplatte
und den aktiven Kondensatorplatten zur Folge hat.
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Diese Rapazitätsdifferenz'steht daher in einer funktionalen Beziehung
zu der zu messenden Spannung und wird durch eine geeignete elektronische Vorrichtung
registriert und gemessen.
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In einer besonderen Ausführung werden die aktiven Kondensatorplatten
jedes Dehnungsmessers durch zwei in der Amplitude gleiche aber um18o0 gegeneinander
phasenverschobene Signale erregt. Der von den Blendenplatten gebildete Blendenmechanis--mus
bewirkt infolge der im Material auftretenden Spannung eine Abnahme der Kapazität
zwischen der einen aktiven Kondenaatorplatte und der Kondensatormeßplatte und gleichzeitig
eine Zunahme der Kapazität zwischen der anderen aktiven Kondensatorplatte-und der
Kondensatormeßplatte. Die resultierende Änderung in den Signalniveaus wird von einem
phasenempfindlichen Demodulator aufgenommen, der ein der Spannung proportionales
Analogsignal erzeugt.
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Da die den Blendenmechanismus bildenden Blendenplatten des kapazitiven
Dehnungsmessers gemß der vorliegenden Erfindung keinen Spannungskräften ausgesetzt
sind, ist die Erscheinung des Kriechens im wesentlichen ausgeschaltet. Ferner werden
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alle Kondensatorplatten in einer festen Zuordnung zueinander
gehalten, um auf diese Weise die Erscheinungen des thermischen Alterns und Kriechens
auf ein Minimum zu reduzieren. Damit erhält man einen kapazitiven Dehnungsmesser
mit verbesserter Langzeitstabilität. Die für den zweiachsigen kapazitiven Dehnungsmesser
gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete elektronische Vorrichtung ist relativ
unbeeinflußt von Verstärkerdrift oder Störsignalen. Insbesondere können die Ausgänge
des Dehnungsmessers auf einem virtuellen Erdpotential -gehalten werden durch Verwendung
einer geeigneten negativen R(ickkopplungsschleife in Verbindung mit den Verstärkern,
die mit den Ausgängen des.Dehnungsmessers verbunden sind. Wenn die Rapazitäten zwlschen
den aktiven Bondensatorplatten und der Kondensatormeßplatte nicht im Gleichgewicht
stehen, liefert daher der Ausgang des Verstärkers über die RUckkopplungsschleife
die notwendige Ladung, um den Eingang auf das virtuelle Erdpotential zu bringen.
Wenn die Ausgangsleitungen des Dehnungsmessers auf dem Erdpotential liegen, gibt
es keine - kapazitive Kopplung zwischen diesen Leitungen und der Erde.
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So kann ein geerdetes abgeschirmtes Kabel verwendet werden, us die
Leitungen gegen Störsignale abzuschirmen. Die Drähte von beiden Kondensatormeßplatten
des zweiachsigen Dehnungsmessers können in der gleichen Abschirmung geführt werden,
ohne daß ein UberaprechenW stattfindet Die Kabel können lang ausgeführt sein und
eine Umwicklung tragen, ohne daß dabei nachteilige Auswirkungen auf treten.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung,
in der in Verbindung mit den beiliegenden J
Zeichnungen die Erfindung
anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird. Es stellen dar: Fig. 1 eine teilweise
aufgebrochene perspektivische Ansicht eines zweiachsigen kapazitiven Dehnungsmessers
gemäß einer bevorzugten Aus führungs form der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 einen
Querschnitt durch die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung, Fig. 3a und 3b Draufsichten
auf die aktiven Kondensatorplatten der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung, Fig.
4 eine teilweise aufgebrochene Draufsicht auf die den Blendenmechanismus bildenden
Blendenplatten in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung, und Fig. 5 ein schematisches
Diagramm des zweiachsigen kapazitiven Dehnungsmessers gemäß der Erfindung mit der
zugehörigen elektronischen Schaltung.
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In den Fig. 1 und 2 erkennt man einen allgemein mit A bezeichneten
zweiachsigen kapazitiven Dehnungsmesser gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Der Dehnungsmesser A umfaßt drei Trägerplatten oder Lamellen 1o,
12 und 14, die aufeinandergeschichtet sind, wobei jeweils zwei Lamellen lo, 12 bzw.
12. 14 einen Spalt zwischen sich be-
grenzen. Ein erster einachsiger
kapazitiver Dehnungsmesser 16, der auf eine Spannung in einer ersten Richtung oder
Achse anspricht, ist in dem Spalt zwischen den einander benachbarten und in einem
Abstand zueinander angeordneten Oberflächen der Lamellen 10 und 12 ausgebildet.
In gleicher Weise ist ein zweiter Dehnungsmesser 16' in dem Spalt zwischen den einander
benachbarten und in einem Abstand zueinander angeordneten Oberflächen der Lamellen
12 und 14 ausgebildet. Der zweite Dehnungsmesser 16' spricht aufeine Spannung in
einer zweiten Richtung oder Achse an, die in einem rechten Winkel zu der ersten
Achse verläuft.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweite
Dehnungsmesser 16' in seinem Aufbau im wesentlichen identisch mit dem ersten Dehnungsmesser
16, jedoch gegenüber diesem um 900 versetzt, um dadurch die Meßachsen der Dehnungsmesser
16 und 16' orthogonal zueinander auszurichten. Es wird daher nur der erste Dehnungsmesser
16 im Detail beschrieben, wobei dlese Beschreibung auch für den zweiten Dehnungsmesser
16' gilt. Zum leichteren Verständnis sind die in Verbindung mit dem ersten Dehnungsmesser
16 verwendeten Bezugsziffern in den Zeichnungen auch für entsprechende Elemente
des zweiten Dehnungsmessers 16' verwendet worden unter HinzufUgen eines Striches.
Das heißt die Elemente 22, 24 usw. des ersten Dehnungsmessers 16 entsprechen Elementen
22', 24' usw. des zweiten Dehnungsmessers 16'.
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Der Dehnungsmesser 16 umfaßt zwei aktive Kondensatorplatten
22
und 24, die auf der zum Spaltinneren hinweisenden Oberfläche der Lamelle 12 angeordnet
sind. Die Kondensatorplatten 22 und 24 werden als aktive Kondensatorplatten bezeichnet,
da sie durch Signale von der in Verbindung mit dem Dehnungsmesser verwendeten elektronischen
Einrichtung erregt-werden. In Fig. 3a erkennt man, daß die aktiven Kondensatorplatten
22 und 24 in einer Ebene liegen und-jeweils mit einer Reihe von parallel zueinander
liegenden länglichen Vorsprüngen oder Fingern ausgebildet sind, die an ihrer Basis
miteinander verbunden sind. Die Finger der aktiven Kondensatorplatten 22 und 24
greifen derart ineinander,-daß die Finger der aktiven Kondensatorplatten-22 und
24 in alternierender Folge parallel zueinander in einer Reihe liegen. Wie man aus
dem folgenden noch genauer erkennen-wird, verlaufen die Finger der aktiven Kondensatorplatten
22 und 24 im wesentlichen senkrecht zur Spannungsmeßachse des Dehnungsmessers 16.
So erkennt man aus Fig. 3b, in der die aktiven Kondensatorplatten 22' und 24' des
zweiten Dehnungsmessers 16' dargestellt sind, daß die Kondensatorplatten 22' und
24' um 9o relativ zu den Kondensatorplatten 22 und 24 gedreht sind, wodurch die
Spannungsmeßachse des Dehnungsmessers 16' rechtwinklig zur Spannungsmeßachse des
Dehnungsmessers 16 verläuft.
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Ein Überzug aus einem dielektrischen Material bedeckt die Kondensatorplatten22
und 24. Der dielektrische Überzug 26 dient zur Isolierung der aktiven Kondensatorplatten
22 und 24 gegenüber den anderen Elementen des Dehnungsmessers 16.
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Eine Ecke der Kondensatorplatten 22 und 24 ist jeweils nicht
isoliert,
so daß elektrische Leitungen 38 und 40 an den entsprechenden Kondensatorplatten
22 und 24 befestigt werden können, was üblicherweise durch Punktschweißen erfolgt.
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Auf der zum Spaltinneren hinweisenden inneren Oberfläche der Lamelle
1o ist eine Kondensatormeßplatte 28 angeordnet. Die Kondensatormeßplatte 28 ist
auf diese Weise parallel und in einem Abstand zu den aktiven Kondensatorplatten
22 und 24 gehalten. Die Kondensatormeßplatte 28 hat allgemein eine rechteckige Form,
entsprechend dem von den Fingern der Kondensatorplatte -22 und 24 eingenommenen
Bereich. Die Kondensatormeßplatte 28 wird so genannt, weil sie mit einer geeigneten
elektronischen Vorrichtung zum Messen der Änderung in der Kapazitätsdifferenz der
aktiven Platten 22 und 24 Der bunden ist. Eine elektrische Leitung 36 ist daher
an der Kondensatormeßplatte 28 befestigt, und zwar vorzugsweise durch Punktschweißen
an einer Ecke der Kondensatormeßplatte 28. Die Oberfläche der Kondensatormeßplatte
28 ist von einer dielektrischen Schicht 30 bedeckt, ähnlich dem die Kondensatorplatten
22 und 24 bedeckenden dielektrischen Überzug 26, um die Kondensatormeßplatte 28
von den übrigen Elementen des Dehnungsmessers 16 zu isolieren.
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Wie man aus den Fig. 2 und 4 erkennt, ist zwischen den aktiven Kondensatorplatten
22 und 24 und der Kondensatormeßplatte 28 ein Blendenmechanismus in Form von mit
Durchbrechungen versehenen Blendenplatten 32 und 34 angeordnet.Die Blendenplatten
32 und 34 sind in dem zwischen den Lamellen 1o und 12 definierten Spalt so gelagert,
daß sie längs der
Spannungsmeßachse des Dehnungsmessers 16 bewegt
werden können.
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Die Blendenplatten 32 und 34 erstrecken sich nach entgegengesetzten
Seiten über die Lamellenlo und 12 hinaus, so daß sie mit der Oberfläche verbunden
werden können, in der eine Dehnung oder Spannung gemessen werden soll. Zu diesem
Zweck sind an den äußeren Enden der Blendenplatten 32 und 34 Distanzelemente 33
bzw. 35 befestigt. Die Dicke der Distanzelemente 33 und 35 entspricht dem Abstand
zwischen den Blendenplatten 32 und 34 und der Oberfläche, in der eine Deformation
bzw. Dehnung gemessen werden soll. Daher führt ein Zusammendrücken oder Dehnen der
Oberfläche, in welcher eine Spannung gemessen werden soll, zu einer Verschiebung
der Blendenplatten 32 und 34 relativ zueinander. Diese Verschiebung wird dazu verwendet,
eine Kapazitätsdifferenz zwischen den aktiven Kondensatorplatten 22 und 24 und der
Kondensatormeßplatte 28 zu erzeugen.
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Wie man in Fig. 4 erkennt, weisen die Blendenplatten 32 und 34 jeweils
eine Mehrzahl von rechteckigen Durchbrechungen auf, die mit 32a bzw. 34a bezeichnet
sind. Die Durchbrechungen 32a und 34a sind parallel zu den Fingern der aktiven Kondensatorplatten
22 und 24 ausgerichtet Wenn die -3lendenplatten 32 und 34 übereinander liegen, sind
die Durchbrechungen.32a und 34a gegeneinander versetzt und bilden dadurch eine Vielzahl
von länglichen rechteckigen, durch die Platten 32 und 34 hindurch offenen.Durchtrittsschlitzen.
Genauer gesagt ist jede der .Durchbrechungen. 32a bezüglich zweier benachbarter
Durchbrechungen 34a so zentriert, daß zwei durch die einander
überlappenden
Abschnitte der Durchbrechungen 32a und 34a hindurch offene Kondensatorspalte C1
und C2 gebildet sind. Die Zahl der Kondensatorspalte C1 und C2 ist also doppelt
so groß wie die Zahl der Durchbrechungen 32a und 34a in den Blendenplatten 32 bzw.
34.
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Auf diese Weise ist eine alternierende Reihe von Kondensatorspalten
C1 und C2 gebildet, die sich voneinander in der Weise unterscheiden, daß ihre Abmessungen
in entgegengesetzter Weise variierten; wenn die Blendenplatten 32 und 34 relativ
zueinander verschoben werden. So bewirkt eine Einwärtsbewegung der Blendenplatten
32 und 34 eine Verringerung des Kondensatorspaltes C1, während gleichzeitig der
Kondensatorspalt C2 vergrößert wird. In dem Dehnungsmesser sind also die Kondensatorspalte
C1 nahe den Fingern der Kondensatorplatte 22 angeordnet, die Kondensatorspalte C2
dagegen nahe den Fingern der Kondensatorplatte 24. Entsprechend führt eine Einwärtsverschiebung
der Blendenplatten 32 und 34 zu einer Abnahme der Kapazität zwischen der Kondensatorplatte
22 und der Kondensatormeßplatte 28, während gleichzeitig die Kapazität zwischen
der Kondensatorplatte 24 und der Kondensatormeßplatte 28 vergrößert wird. In ähnlicher
Weise führt eine Auswärtsbewegung der Blendenplatten 32 und 34 zu einer Vergrößerung
der Kapazität zwischen der Kondensatorplatte 22 und der Kondensatormeßplatte 28,
wogegen gleichzeitig die Kapazität zwischen der Kondensatorplatte 24 und der Kondensatormeßplatte
28 verkleinert wird.
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Das Arbeitsprinzip des Dehnungsmessers liegt also darin, daß J
jeweils
die Tatsächlichkapazität zwischen der Kondensatormeßplatte 28 und der Kondensatorplatte
22 bzw. 24 durch die relative Lage der Blendenplatten bestimmt ist. Die tatsächliche
Kapazität zwischen der Kondensatorplatte 22 und der Kondensatormeßplatte 28 ist
der Fläche des Kondensatorspaltes C1 proportional. Wird nur ein Kondensatorspalt
C1 betrachtet, ergibt sich unter Vernachlässigung von Randeffekten für die Kapazität
zwischen der Kondensatorplatte 22 und der Kondensatormeßplatte 28: C1 = k x1 . lc
Dabei ist k eine Proportionalkonstante, deren Wert vom Plattenabstand und der Dielektrizitätskonstante
abhängt.
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Entsprechend ergibt sich für die Kapazität zwischen der Kondensatorplatte
24 und der Kondensatormeßplatte 28: C2 = k . x2 . lc Für die Kapazitätsdifferenz
erhält man daher: Cd c C1 1 C2 = k-lc. (x1 -X2 da aber Xc a Xa + + 2 folgt Cd =
klc (2x1 + Xa - XC)-Dabei ist mit lc die Länge eines Schlitzes 34a, mit xa die Breite
eines Steges zwischen zwei einander benachbarten Durch-J
brechungen
32a, mit XC die Breite einer Durchbrechung 34a, mit x1 die Breite eines Kondensatorspaltes
C1 und mit x2 die Breite eines Kondensatorspaltes C2 bezeichnet.
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Die Kapazitätsdifferenz ist also eine Funktion der relativen Lage
der Blendenplatten 32 und 34 sowie der Dimensionen der Durchbrechungen 32a und 34a
und der Konstante k.
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Die Ansprechgenauigkeit des Dehnungsmessers auf eine Relativverschiebung
der Blendenplatten 32 und 34 wird ausgedrückt durch:
Dabei gibt N die Anzahl der Durchbrechungen 32a bzw. 34a an, von denen bei der vorstehenden
Analyse nur eine betrachtet wurde.
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Wie oben bereits kurz ausgeführt wurde, ist der zum Dehnungsmesser
16 orthogonal ausgerichtete Dehnungsmesser 16' mit dem Dehnungsmesser 16 hinsichtlich
des Aufbaus und der Arbeitsweise im wesentlichen identisch. Natürlich soll der Dehnungsmesser
16' auf orthogonal zur Spannungsmeßachse des Dehnungsmessers 16 gerichtete Deformationen
ansprechen und daher sind alle Elemente des Dehnungsmessers 16' gegenüber den entsprechenden
Elementen des Dehnungsmessers 16 um 9o° gedreht.
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Im übrigen stimmen Aufbau und Arbeitsweise mit der vorstehenden Beschreibung
überein.
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Der zweiachsige kapazitive Dehnungsmesser A gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt Sicherungseinrichtungen gegen
Interferenzerscheinungen und Störsignale. Insbesondere sind ein Paar von Abschirmplatten
20 an den äußeren Oberflächen der Lamellen 10 bzw. 14 vorgesehen, die an der Abschirmung
des Dehnungsmessers A geerdet sind. In der gleichen Weise sind die Blendenplatten
32, 34, 32' und 34' geerdet. Wenn der Dehnungsmesser A auf einer geerdeten Metalloberfläche
befestigt wird, kann die Erdung der jeweiligen Platten durch Berührung mit der Oberfläche
erfolgen, in der eine Deformation gemessen werden soll. Im anderen Fall, wenn der
Dehnungsmesser A auf einer isolierten oder nicht geerdeten Oberfläche verwendet
werden soll, sollten Erdungsleitungen zu den Blendenplatten vorgesehen sein. Zusätzlich
zu der Abschirmung durch die Abschirmplatten 20 und die Blendenplatten 32 bzw. 34
erfolgt eine zusätzliche Isolierung gegen Interferenzerscheinungen und Störsignale
aus der Art der elektronischen Einrichtung, die zusammen mit dem Dehnungsmesser
A verwendet wird und nun im folgenden beschrieben werden soll.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 5 soll nun die zusammen mit dem Dehnungsmesser
A verwendete elektronische Einrichtung genauex beschrieben werden. Da die Dehnungsmesser
16 und 16' im wesentlichen unabhängig voneinander sind, ist eine doppelkanalige
Ausführung der elektronischen Einrichtung für die beiden Dehnungsmesser 16 und 16'
vorgesehen, mit der Ausnahme, daß ein einziger Signalgeber zum Erregen der Dehnungsmesser
verwendet
werden kann. Der Dehnungsmesser 16 wird von einem einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand
aufweisenden Oszillator 60 her durch zwei gegeneinander um 1800-phasenversetzte
Trägersignale gleicher Amplitude erregt. Die Leitung 38 verbindet also einen ersten
Phasenausgang des Oszillators 60 mit der Kondensatorplatte 22. Entsprechend verbindet
die Leitung 40 den Ausgang für die zweite Phase (um 1800 gegenüber der ersten Phase
phasenversetzt) des Oszillators 60 mit der Kondensatorplatte 24. Da ein einziger
Oszillator 60 zur Erregung beider Dehnungsmesser 16 und 16' verwendet werden kann,
sind die Kondensatorplatten 22 und 22' parallel zueinander an die Leitung 38 und
die Kondensatorplatten 24 und 24' parallel zueinander an die Leitung 40 angeschlossen.
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Der Dehnungsmesser 16 kann mit zwei veränderbaren Kondensatoren verglichen
erden, die miteinander in der Weise gekoppelt sind, daß ihre Kapazitäten sich invers
zueinander ändern, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Die Ausgänge der beiden Kondensatoren
fallen zusammen in der Kondensatorplatte 28, die mit einer Ausgangsleitung 36 verbunden
ist.
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Ohne eine erzwungene Spannung oder Deformation sind die von den Blendenplatten
32 und 34 gebildeten Kondensatorspalte C1 und C2 im wesentlichen identisch in ihrer
Größe, so daß gleiche Amplituden des ersten in Phase befindlichen Oszillatorsignales
und des zweiten oder phasenversetzten Oszillatorsignales mit der Kondensatormeßplatte
28 gekoppelt werden. Die Signale gleicher Amplitude löschen einander aus, so daß
das Ausgangssignal des Dehnungsmessers 16 bei nicht vorhandener Deformation gleich
Null ist. Ein Zu-
sammendrücken der Oberfläche, an der eine Deformation
gemessen werden soll, führt zu einer Verengung der Kondensatorspalte Cl und gleichzeitig
zu einer Erweiterung der Kondensatorschlitze C2. Daraus ergibt sich eine Reduzierung
der Amplitude des durch die Kondensatorschlitze C1 mit der Kondensatormeßplatte
28 gekoppelten, in Phase befindlichen Oszillatorsignals und gleichzeitig eine Vergrößerung
der Amplitude des durch die Kondensatorspalte C2 hindurch mit der Kondensatormeßplatte
28 gekoppelten phasenverschobenen Oszillatorsiganls. Eine Druckdeformation verursacht
also ein phasenverschobenes Ausgangssignal an der Ausgangsleitung 36. Entsprechend
bewirkt eine Dehnungsdeformation die Vergrößerung der Kondensatorspalte C1 und eine
Verengung der-Kondensatorspalte C2, was zu einem in Phase befindlichen Ausgangssignal
an der Ausgangsleitung 36 führt.
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Um das an der Ausgangsleitung 36 auftauchende Signal aufzunehmen und
zu messen1 ist die Ausgangsleitung 36 an den Eingang eines Ladungsverstärkers 62
zur Verstärkung des Signals angeschlossen. Der Ladungsverstärker 62 weist einen
Rückkopplungskondensator 66 auf, der den Ausgang 64 mit dem Eingang an der Ausgangsleitung
36 koppelt. Die durch den Rückkopplungskondensator 66 bewirkte negative Rückkopplung
dient dazu, die Ausgangsleitung 36 auf einem virtuelen Erdpotential zu halten. Insbesondere
hat also das Auftauchen eines Signals in der Ausgangsleitung 36 zur Folge, daß genügend
Ladung auf den Rückkopplungskondensator 66 zurückfließt, um die Ausgangsleitung
36 auf ein virtuelles Erdpotential zu bringen.
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Durch das Halten der Ausgangsleitung 36 auf einem virtuellen J
Erdpotential
wird die Empfindlichkeit der Anordnung gegenüber einer Änderung der Kabelkapazität
und gegenüber Störsignalen weiter vermindert. Darüberhinaus kann die Ausgangsleitung
36 in einem einfachen geerdeten Abschirmkabel ohne nachteilige Auswirkungen geführt
werden. Die mit dem orthogonal ausgerichteten Dehnungsmesser 16' verbundene Ausgangsleitung
36' kann in dem gleichen Abschirmkabel parallel zur Leitung 36 verlaufen.
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Der Ausgang 64 des Ladungsverstärkers 62 kann mit einem phasenempfindlichen
Detektor 165 zur Erzeugung eines einfachen Gleichstromsignales verbunden sein, das
proportional zur Kapazitätsdifferenz und damit proportional zur Deformation ist.
Der Detektor 165, beispielsweise ein Demodulator, dient dazu, die Wechselstromträgersignale
zu eliminieren, die sachliche Amplitudeninformation aber zu erhalten. Der Demodulator
ist vorzugsweise phasenempfindlich, um eine Unterscheidung zwischen kompressiven
und extensiven Deformationen treffen zu können, die entsprechend der vorstehenden
Beschreibung Ausgangssignale entgegengesetzter Phase erzeugen.
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Pur die Konstruktion eines zweiachsigen kapazitiven Dehnungsmessers
A entsprechend der vorliegenden Erfindung kann eine Vielzahl von Materialien verwendet
werden. Es wurde jedoch gefunden, daß bestimmte Materialien für die Verwendung des
Dehnungsmessers in Umgebungen mit hoher Temperatur besonders geeignet sind. So sind
die Lamellen 1o, 12 und 14 vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, während die Kondensatorplatten
22, 24, 22', 24', die Kondensatormeßplatten 28 und 28'
und die
Abschirmplatten20 vorzugsweise aus auf die Oberfläche der Lamellen 10, 12 und 14
aufgedrucktem Platin bestehen.Die Blendenplatten 32, 34, 32' und 34' sind vorzugsweise
aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die Durchbrechungen 32a, 34a, 32a' und 34a' werden
üblicherweise durch ein übliches FotoAtzverfahren erzeugt. Die dielektrischen Isolierschichten
26, 30, 26' und 30' können im wesentlichen von einem dünnen Keramikfilm gebildet
sein Die Leitungen 36, 36', 38 und 40 können aus Nickel hergestellt sein. Alle diese
Materialien wurden aufgrund ihres Widerstandes gegen eine Oxidation bei hohen Temperaturen
ausgewählt, wodurch die bevorzugte AusfAhrungsform der vorliegenden Erfindung besonders
geeignet ist für die Verwendung in Umgebungen mit hohen Temperaturen. So wurde beispielsweise
eine erfindungsgemäße Konstruktion über lange Zeiträume bei Temperaturen von annähernd
593,60C (1loo°F) erfolgreich verwendet. Natürlich können auch andere für eine gegebene
Umgebung geeignete und die erforderlichen elektrischen Eigenschaften aufweisenden
Materialien verwendet werden.
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Der wesentliche Teil der zwischen deh Kondensatorplatten einerseits
und der Kondensatormeßplatte andererseits entwickelten Kapazität ist eine Folge
des Luftspaltes zwischen den Platten. Der Dehnungsmesser A kann jedoch auch mit
irgendeiner nicht leitenden Flüssigkeit in dem Spalt zwischen diesen Platten arbeiten,
so lange diese Flüssigkeit die Bewegung der Blendenplatten 32, 34, 32' und 34' nicht
physisch behindert.
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Der Dehnungsmesser A gemäß der vorliegenden Erfindung kann in jeder
beliebigen Größe gebaut werden. Eine geeignete Ausführungsform weist einen Lamellenstapel
von im wesentlichen quadratischem Grundriß auf mit einer Kantenlänge von 12,7 mm
und einer Höhe von 2,31 mm. Eine bevorzugte Nenndicke für alle Platten und Schichten
mit Ausnahme der Lamellen 1o, 12 und 14 ist o,o254 rnm. Es wurde gefunden, daß bei
einer derartigen Konstruktion eine Zahl von vier Durchbrechungen 32a oder 34 in
den Blendenplatten 32 oder 34 geeignet ist. Entsprechend weisen bei dieser Ausführungsform
die Kondensatorplatten 22 und 24 jeweils vier längliche Vorsprünge oder Finger auf,
wobei vier Kondensatorspalte C1 zur Kopplung der Kondensatorplatte 22 an die Kondensatormeßplatte
28 und vier Kondensatorspalte C2 zur Kopplung der Kondensatorplatte 24 an die Kondensatormeßplatte
28 vorhanden sind. Natürlich können je nach der gewünschten Größe und Form des Dehnungsmessers
auch andere Abmessungen und Anzahlen von Durchbrechungen und Spalten verwendet werden.