DE3042781A1 - Anordnung zum kompensieren von stoerenden austrahlungen elektromagnetischer hochfrequenzschwingungen bei beruehrungslosen abtasteinrichtungen - Google Patents

Anordnung zum kompensieren von stoerenden austrahlungen elektromagnetischer hochfrequenzschwingungen bei beruehrungslosen abtasteinrichtungen

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Description

Kennwort: Störfeldkompensation FMG 1255
Erfinder: Schmall Ordner: II
Anordnung zum Kompensieren von störenden Ausstrahlungen
elektromagnetischer Hochfrequenzschwi ngungen
bei berührungslosen Abtasteinrichtungen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kompensation des durch Elektroden und/oder Fühler(Sensoren) abgestrahlten elektromagnetischen Störfelds bei berührungslosen Abtast- und Regeleinrichtungen mit wenigstens einem hochfrequenten Messfeld zwischen einer Messelektrode und einer Gegenelektrode.
Bei berührungslosen Abtasteinrichtungen werden vorwiegend kapazitive oder induktive Sensoren benutzt, die an einen oder mehrere Hochfrequenzkreise angeschlossen sind und deren elektrisches Verhalten vom relativen Abstand der abzutastenden Oberflächen oder Gegenstände zum Sensor abhängt.
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So wird beispielsweise der Abstand zwischen einem Werkstück und einem Bearbeitungswerkzeug dadurch gemessen, dass die zwischen beiden bestehende elektrische Kapazität in einer Schaltungsanordnung so eingeschaltet ist, dass ihre Veränderung die elektrischen Werte der Schaltungsanordnung entsprechend verändert. Gleiches wird beispielsweise mit einer induktiven Abtastung bewirkt, wenn eine Seite der Meßstrecke aus einer oder mehreren Spulen besteht, welche durch den Abstand zum Werkstück eine bestimmte Induktivität aufweist und bei der sich die Induktivität durch Veränderung des Abstands entsprechend verändert, was im \ allgemeinen ein elektrisch leitfähiges oder ferromagnetisches Material erfordert.
Bei den Aenderungen in der Meßstrecke handelt es sich oft um kleine Aenderungsbeträge, die aber sehr genau erfasst und ausgewertet werden müssen. Meistens sind auch die erzielbaren Kapazitäten und/oder Induktivitäten relativ klein, da die sich gegenüberstehenden Flächen oder Körper der Meßstrecken nur relativ geringe Abmessungen aufweisen. Deshalb verwendet man vorwiegend solche Schaltungsanordnungen in diesen Einrichtungen, die mit hohen Frequenzen und wegen der erwünschten hohen Nutzsignal/ Störsignal-Relationen auch mit entsprechend hohen Hochfrequenzspannungen arbeiten.
Es ist bekannt, solche Meßstrecken in Oszillatorschal tungen anzuordnen, deren Frequenz verändert wird, wenn sich Veränderungen in den zu messenden Dimensionen ergeben.
In der Praxis sind eine Refhe von solchen Einrichtungen bekannt, die beispielsweise zum Messen von Füllständen in behältern bei nichtleitenden Füllgütern, zum Erfassen der Bewegung von Zeigerinstrumenten und zum Messen des Abstands zwischen Werkstücken und Werkzeugen kapazitive und/oder induktive Glieder im Messkreis von Hochfrequenzoszillatoren verwenden.
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Die Aufzählung ist nicht vollständig und soll nur einige Beispiele verdeutlichen.
Bei einem grossen Teil solcher Sensorschaltungen, die mit hochfrequenten Kreisen verbunden sind, ist es nicht möglich, die Meßstrecke selbst so elektrisch abzuschirmen, dass die von den Gliedern der Meßstrecke abgestrahlte hochfrequente elektromagnetische Energie auf die unmittelbare Umgebung der Meßstrecke beschränkt bleibt.
Dieser Fall liegt beispielsweise dann vor, wenn ein grösseres Werkstück z.B. eine Stahlplatte, eine Seite der Meßstrecke darstellt, während die andere Seite der Meßstrecke (Elektrode) als kapazitiv wirkende Metall fläche in der Nähe der Stahlplatte angeordnet ist. In einem solchen Fall dient die Meßstrecke beispielsweise dazu, die Lage eines Werkzeugs so im Abstand zur Stahlplatte zu regeln, dass die Bearbeitung der Stahlplatte optimal vorgenommen werden kann. Es ist nicht möglich, die gesamte Maschine, die eine solche Bearbeitung vornimmt, so abzuschirmen, dass das hochfrequente elektromagnetische Feld, welches zwischen Stahlplatte und Elektrode vorhanden ist, nach aussen hin unwirksam bleibt.
ζ Wird in ähnlichen Abtasteinrichtungen ein induktiver Sensor verwendet, wie z.B. bei der Abtastung der Stellung von Messinstrumenten, so kann das durch die Spulen erzeugte elektromagnetische Feld in vielen Fällen nicht geschirmt werden, weil die konstruktiven oder anwendungstechnischen Gegebenheiten dies nicht mög-1 ich machen.
Solche nicht abschirmbare, berührungslose Abtasteinrichtungen strahlen deshalb stets ein elektromagnetisches Feld ab, dessen Energie von der Meßstreckenanordnung und von der darin angwendeten Leistung des Hochfrequenzkreises abhängt.
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Es ist oben bereits angedeutet worden, dass die Hochfrequenzleistung im Messkreis wegen des geforderten Mindest-Störabstands als Relation Nutzsignal/Störsignal zum Erzielen einwandfreier Funktion im Betrieb einen bestimmten Mindestwert erreichen muss, der in der Praxis einige Milliwatt bis einige Watt beträgt.
Entsprechend dieser Hochfrequenzleistung ist auch der von der Meßstrecke als elektromagnetische Energie abgestrahlte Anteil kleiner oder grosser und liegt in Energiegrossenordnungen, die von benachbarten Empfangseinrichtungen, z.B. Rundfunk- oder Fernsehempfängern, welche auf die abgestrahlten Frequenzen abge-V stimmt sind, bereits aufgenommen werden können.
Durchweg stören solche Frequenzen die gewünschten Empfangssignale.
Seit langer Zeit sind zwischenstaatlich und weltweit Vereinbarungen getroffen worden, die innerhalb der Staaten in Funkstörschutzbestimmungen niedergelegt sind und welche bestimmte Maximalwerte solcher Störausstrahlungen von berührungslosen Abtasteinrichtungen festlegen. Einige dieser Bestimmungen sind so gehalten, dass es unmöglich ist, bei bestimmten Anlagen den vorgesehenen Zweck der hochfrequenten Abtasteinrichtung zu gewährleisten, weil die dafür notwendige Hochfrequenzleistung hoch ist, f.. der an der Meßstrecke abgestrahlte Energieanteil die zugelassenen grenzwerte überschreitet und somit die Anlage von den Ueberwachungsbehörden entweder überhaupt nicht zugelassen oder nur unter bestimmten Auflagen für den Betrieb freigegeben werden kann. Diese Auflagen sind entweder von Staat zu Staat unterschiedlich oder aber räumlich beschränkt und führen oft zu hohen Kosten für die erforderliche behördliche Nachprüfung in jedem Einzelfall.
Nachteilig ist ferner die in solchen Auflagen vorgesehene Einschränkung auf besondere Frequenzbereiche, die oft eine unbefriedigende Funktion der Meßstrecke zur Folge haben.
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Die vorliegende Erfindung vermeidet diese, oft wirtschaftlich schwerwiegenden Nachteile der bekannten Abtasteinrichtungen.
Erfindungsgemäss wird dies insbesondere
durch eine Anordnung zur Erzeugung wenigstens eines Kompensationsfelds mit umgekehrter Phasenlage und gleicher effektiver Energieabstrahlung zum Erzielen eines gegen Null gehenden resultierenden Störfelds, wobei das Kompensationsfeld verglichen mit der Wellenlänge der hochfrequenten Abstrahlung in geringem Abstand zum Messfeld angeordnet ist, erreicht.
Dabei wird also die elektromagnetische Energieabgabe des Messoder Abtastkreises, die nach den physikalischen Gesetzen nicht verhindert werden kann, in ihrer Wirkung auf die Umwelt durch eine entsprechende Energieabgabe gleicher Frequenz, jedoch umgekehrter Phase und sonst unter gleichen oder annähernd gleichen Bedingungen für die Abstrahlung kompensiert.
Durch die erfindungsgemässe Anordnung für die nachfolgend einige Beispiele erläutert sind, wird eine solche Dämpfung der Störfelder erzielt, dass es möglich wird, selbst bei relativ starken Hochfrequenzleistungen in den Meß- und Abtastkreisen geringste resultierende Störfelder zu erreichen, die Funkempfangseinrichtungen sogar in unmittelbarer Nähe nicht mehr zu stören.
Als Beispiel wird nund die Ausführung einer kapazitiven berührungslosen Messeinrichtung, die zum Regeln des Abstands zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück dient, beschrieben und anhand der Fig. 1 erläutert.
Solche Messeinrichtungen sind nach dem Stand der Technik bekannt und üblich.
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In Fig. 1 ist mit 1 das Werkstück, eine Metallplatte, bezeichnet. 2 stellt das Werkzeug dar, z.B. einen Schwelssbrenner, der durch einen Motor 3' über eine Regeleinrichtung 4 relativ zum Werkstück bewegt werden kann. Mit der Regeleinrichtung 4 ist eine Messeinrichtung 5 verbunden, welche einen Hochfrequenzschwingkreis 6 aufweist, der mit der Elektrode 7 zusammengeschaltet ist. Die Elektrode 7 ist mechanisch mit dem Werkzeug 2 verbunden; sie bewegt sich folglich mit diesem mit. Wenn das Werkzeug 2 sich näher zur Metallplatte 1 hin bewegt oder die Metallplatte 1 näher zum Werkzeug 2, so wird der Abstand zwischen \ Metallplatte 1 und Elektrode 7 ebenfalls geringer. Die Kapazität der Meßstrecke wird folglich höher und damit die Frequenz des Schwingkreises niedriger, was über die Regeleinrichtung 4 das Anlaufen des Antriebs 3 in eine Richtung bewirkt, die den alten Abstand wieder herstellt.
Es ist ersichtlich, dass die durch den Abstand zwischen Metallplatte 1 und der Elektrode 7 bestimmte Meßstrecke eine Energie abstrahlt, weil an der elektrischen Kapazität der Meßstrecke eine hochfrequente Wechselspannung aus dem Schwingkreis anliegt.
Erfindungsgemäss wird bei diesem Beispiel diese störende Abstrahlung durch Hinzufügen eines zweiten Meßkreises, bestehend aus der Elektrode 8, kompensiert. Die Elektrode 8 ist am gegenüberliegenden Ende des Schwingkreises angeschaltet und führt deshalb eine hochfrequente Wechselspannung umgekehrter Phase. Da die durch die Elektroden 7 und 8 abgestrahlten elektromagnetischen Felder in umgekehrte Phasenlage zueinanderstehen, heben sie sich gegenseitig entweder völlig oder zum grössten Teil auf. Die elektrische Mitte des Schwingkreises ist an Masse gelegt, um die umgekehrte Phasenlage an beiden Enden gegen Masse zu erzie-1 en.
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In der Praxis hat sich daher besonders bewährt, dass die Elektroden 7 und 8 räumlich nahe beieinanderstehen, aber sich gegenseitig nicht beeinflussen.
Dieses Beispiel stellt eine einfache Variante der erfindungsgemässen Einrichtung dar.
In Fig. 2 ist eine ähnliche Einrichtung beschrieben, bei der die Kompensation des HF-Felds durch ein zweites abstrahlendes kapazitives Feld umgekehrter Phasenlage erreicht wird, welches nicht V am gleichen hochfrequenten Kreis liegt.
In Fig. 2 befindet sich an einem Werkstück 9 eine Elektrode 10 als Messelektrode. Sie ist in der Messeinrichtung 11 an einem Schwingkreis 12 angeschaltet, dessen Ausgangssignal einer Auswerteschaltung 13 eingespeist wird, die ihrerseits am Ausgang 14 ein Regel signal erzeugt, welches den Motor 15 antreibt.
Im Ausgang der Auswerteschaltung 13 liegt ferner ein Verstärker 16, welcher zur Kompensationselektrode 17 führt. Der Verstärker ist in seiner Ausgangsspannung über eine Vorwahl einrichtung 18 veränderbar. Somit ist es möglich, die Hochfrequenzspannung am Ausgang 14 einzustellen.
Der Verstärker 16 dreht die Phase um 180 Grad. Die an seinem Ausgang liegende Elektrode 17 ist bei diesem Beispiel nicht direkt dem Werkstück gegenüber angeordnet, sondern liegt räumlich in unmittelbarer Nähe der Elektrode 10, ohne auf dieses Feld einzuwirken. Ihr gegenüber ist die Maschinenmasse, an die auch das Werkstück 9 angeschlossen ist.
Somit befindet sich in der Meßstrecke nur die Elektrode 10 mit einem bestimmten Störstrahlungsfeld. Die Spannung an der Kompensationselektrode 17 wird mittels Vorwahl einrichtung 18 so justiert, dass sich die Leistungen beider Felder der Elektroden
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10 und 17 messbar aufheben. Die starre 180 Grad Phasenlage zwischen beiden Elektroden wird dadurch erzielt, dass der Schwingkreis 12 mit dem Verstärker 16 verbunden ist, sodass dessen Phasenlage immer im Verstärkerausgang eine genau um 180 Grad verschobene Phase bewirkt.
Die Vorwahleinrichtung 18 kann erfindungsgemäss mit einer nicht dargestellten Feldstärke-Messeinrichtung verbunden werden, die das resultierende Störfeld misst und derart auf die Vorwahl einrichtung rückkoppelt, dass diese solange nachgestellt wird, bis \ das resultierende Störfeld jeweils Null ist.
Fig. 3 zeigt als weiteres Beispiel für die erfindungsgemässe Anordnung eine induktive Annäherungs-Meßstrecke, deren Störfeld kompensiert wird.
In Fig. 3 ist ein metallischer Gegenstand 19 dargestellt, der auf den Sensor, welcher als Ringspule 20 ausgeführt ist, eine entweder induktivitäserhöhende oder -erniedrigende Wirkung in Abhängigkeit von der Entfernung ausübt.
Die Ringspule 20 ist in diesem Beispiel mit einer Ringspule 21 in Reihe geschaltet. Beide Spulen sind an einem Oszillator 22 r , geschaltet, in welchem ihre resultierende Induktivität die Frequenz des Oszillatorkreises bestimmt.
Ringspule 20 und Ringspule 21 sind so angeordnet, dass ihre Wickel richtung gegensinnig verläuft. Im Beispiel Fig. 3 ist die Ringspule 21 oberhalb der~Ringspule 20 angeordnet, sodass die Ringspule 20 hauptsächlich als Sensor dient, weil sie dem metallischen Gegenstand 19 näher liegt.
Das von der Ringspule 20 abgestrahlte elektromagnetische Störfeld wird in dieser Anordnung durch das genau gegenphasige Feld der Ringspule 21 erfindungsgemäss kompensiert.
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Es ist erfindungsgemäss auch möglich, analog zum Beispiel Fig. 1 die beiden Ringspulen 20 und 21 nebeneinander und gleichwertig als Sensoren anzuordnen, wobei wiederum die Ringspule 21 gegenphasig durchströmt ist.
Ebenso ist z.B. eine Ausgestaltung der Erfindung möglich, bei welcher die Ringspule 21 nicht in Reihe zur Ringspule 20, sondern von dieser völlig getrennt gespeist wird.
Entsprechend Fig. 2 liegt dann die Ringspule 21 im Ausgang eines Verstärkers, vorzugsweise mit einstellbarem Verstärkungsgrad und \ erhält so stets einen genau um 180 Grad phasengedrehten hochfrequenten Wechselstrom zur Erzeugung des Kompensationsfelds, welches erfindungsgemäss das resultierende hochfrequente Störfeld auf sehr kleine Werte herabsetzt. Diese Anordnung ist analog der kapazitiven Ausführung und entspricht somit der Fig. 3, sodass eine besondere Erläuterung entfallen kann.
Allen erfindungsgemassen Anordnungen, für welche die oben genannten Beispiele nur einige Möglichkeiten der Anwendung darstellen, liegt zugrunde, dass die Kompensation der hochfrequenten Störfelder durch gegenphasige, kapazitive und/oder induktive Erregerkreise bewirkt wird, die so unmittelbar benachbart angeordnet sind, dass ihre Entfernung zueinander sehr klein ist, verglichen mit der Wellenlänge der hochfrequenten Energieabstrahlung. Dadurch ist die 180 Grad-Phasenbedingung nahezu völlig erfüllbar.
Besonders bewährt hat sich die Ausgestaltung der Erfindung bei kapazitiven Fühlern durch 'eine konzentrische Anordnung der kapazitiven Elektrode, eine Elektrode z.B. als kreisförmiges Metallplättchen P, die andere Elektrode, welche gegenphasig gespeist wird, z.B. als umgebender Ring R. Wählt man dabei die Dicke von Ring und Plättchen sehr klein, verglichen mit dem Durchmesser, so ist das zwischen beiden Elektroden entstehende, nicht kompensierte Feld so gering, dass es nicht stört.
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Fig. 4 zeigt eine solche Anordnung.
Verständlicherweise können die Elektroden aber auch nebeneinander angeordnet und dann z.B. als rechteckige Plättchen ausgebildet werden.
Im Falle von induktiven Elektroden, insbesondere von Ringspulen, hat sich die konstrutive Form nach Fig. 5 besonders bewährt. Hier ist auf einem Körper 32 aus Isolierstoff eine Spule 33 aufgewickelt, welche einer berührungslos abzutastenden Metal!fläche V 35 am nächsten liegt. Die Spule 34 ist darüber auf den gleichen Körper 32 aufgewickelt, jedoch von der Spule 33 und der Metallfläche 35 entfernt, sodass ihre Rückwirkung auf die Spule klein bleibt.
Die Entfernung zueinander ist jedoch sehr klein gegenüber der verwendeten Wellenlänge der hochfrequenten Energie. Beispielsweise beträgt die Entfernung zwischen den Spulen 33 und 34 nur 10 mm bei einer Wellenlänge von 30 m.
Somit ist sichergestellt, dass die gegenphasig erregte Spule 34 ein Feld erzeugt, das die Störwirkung des Feldes der Spule 33 aufhebt.
Die Richtungen der in den beiden Spulen fliessenden Ströme sind durch Pfeile gekennzeichnet. Die ausgezogenen Linien in vertikaler Richtung stellen das Feld der Spule 33 dar, die gestrichelten Linien das Feld der Spule 34. Beide Felder heben sich in ihrer Wirkung nach aussen Tiin auf. Die Spule 33 wirkt jedoch als Fühlerelektrode gegenüber Platte 35.
Fig. 6 zeigt das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Anordnung von Abstands-Messelektrode und Kompensationselektrode an einer Brenη schneidemaschine.
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Die Sensorelektrode 36 und die Kompensationselektrode 37 sind an einen Schwingkreis 38 gegenphasig angeschlossen, der in unmittelbarer Nähe der Elektroden untergebracht ist, z.B. am Brenner, der in Fig. 1 mit 2 bezeichnet ist. Der Schwingkreis ist mit dem Oszillator 39 zusammengeschaltet. Die Kabelverbindung führt zur Auswerteschaltung 40. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist von besonderem Vorteil, dass nur eine Kabelverbindung benötigt wird, die als Koaxialkabel ausgeführt werden kann.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. So können z.B. nicht nur schwingende Oszillatorschaltungen mit frequenzbestimmenden Kreisen in der Meßstrecke, sondern auch passive Sensorschal tungen, die als Verstimmungs- oder kapazitive/induktive Spannungsteiler wirken, erfindungsgemäss eingesetzt werden.
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Claims (13)

  1. PATENTANSPRUECHE
    Iy Anordnung zur Kompensation des durch Elektroden und/oder Fühler(Sensoren) abgestrahlten elektromagnetischen Störfelds bei berührungslosen Abtast- und Regeleinrichtungen mit wenigstens einem hochfrequenten Messfeld zwischen einer Messelektrode und einer Gegenelektrode, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Erzeugung wenigstens eines Kompensationsfel ds mit umgekehrter Phasenlage und gleicher effektiver Energieabstrahl ung zum Erzielen eines gegen Null gehenden resultierenden Störfelds, wobei das Kompensationsfeld verglichen mit der Wellenlänge der hochfrequenten Abstrahlung in geringem Abstand zum Messfeld angeordnet ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass zur Erzeugung des kompensierenden Feidos eine weitere Elektrode in unmittelbarer Nähe der Sensor-Elektrode angeordnet ist, die mit Wechsel energie gleicher Frequenz, umgekehrter Phase und einer solchen Leistung erregt wird, dass sich beide elektromagnetischen Störfelder zwischen den Elektroden und dem gemeinsamen Bezugspotential nach aussen hin gegenseitig wenigstens grösstenteil s aufheben.
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    BAD
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichne t , d a s s eine zweite abstrahlende Elektrode mit phasenumgekehrter Erregung so angeordnet ist, dass sie konzentrisch zur ersten Sensorelektrode liegt.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass dass beide Elektroden als induktive Ringelektroden spulenförmig ausgeführt und konzentrisch zueinander und/oder auf der gleichen gemeinsamen Mittelachse angeordnet sind.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,dass die zweite, kompensierende Elektrode seitlich zur Sensorelektrode angeordnet ist und glei chermassen als zusätzliche Sensorelektrode verwendet wird.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet.dass die zweite Elektrode mit phasenumgekehrter Erregung an den gleichen Schwingungskreis, jedoch dessen Gegenpol, angeschlossen ist und dass die elektrische Mitte des Schwingungskreises am Bezugspotential, vorzugsweise der Masse, liegt.
    s
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn-
    zeichnet,dass die Lage der elektrischen Mitte einstellbar ist, um eine völlige Kompensation einstellen zu können.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch" 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, kompensierende Elektrode in einer konstanten Stellung zum gemeinsamen Bezugspotential so angeordnet ist, dass sie nicht als zweite Sensorelektrode wirkt.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die kompensierende Elektrode über einen Verstärker angeschlossen wird, dessen Ausgangsenergie umgekehrte Phasenlage gegenüber der Sensorelektrode besitzt und dessen Verstärkungsfaktor einstellbar ist.
  10. 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass der Verstärker über eine extern angeordnete FeIdstärkemessoinrichtung mit nachfolgender Regeleinrichtung so in seiner Verstärkung und/oder Phasenlage
    V verändert wird, dass im Betrieb immer eine Kompensationsenergie am Verstärkerausgang zur Kompensationselektrode abgegeben wird, die das resultierende Störfeld zum minimal möglichen Wert reduziert.
  11. 11. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die beiden Elektroden in Einrichtungen zur Abstandsregelung zwischen Werkzeugen und Werkstücken, vorzugsweise an Brennschneidemaschinen und Schweissmaschinen angeordnet sind.
  12. 12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,dass zwei eng beieinander angeordnete
    s , Elektroden mit je einer Zuleitung zur Energiequelle versehen
    sind.
  13. 13. Anordnung nach Anspruch 3 und 11, dadurch gekennzeichnet,dass die Elektroden an einen gemeinsamen Schwingkreis angeschlossen sind, der in unmittelbarer Nähe beider Elektroden angeordnet ist und der direkt oder über eine Oszillatorschaltung mit einer Zuleitung zur Auswerteschaltung verbunden ist.
    130035/0369
DE19803042781 1979-11-30 1980-11-13 Anordnung zum kompensieren von stoerenden austrahlungen elektromagnetischer hochfrequenzschwingungen bei beruehrungslosen abtasteinrichtungen Granted DE3042781A1 (de)

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