DE3518187C1

DE3518187C1 - Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Lage eines Objektes, insbesondere der Schwingungen eines vibrierenden Objektes

Info

Publication number: DE3518187C1
Application number: DE19853518187
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dipl.-Ing. Bergmann (Fh); Alfred Dr.-Ing. 7800 Freiburg Dumbs; Karl 7801 March Kulmus; Bernhard Dipl.-Ing. Landsberg (FH), 7800 Freiburg; Eugen Dipl.-Phys. Neske
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1985-05-21
Filing date: 1985-05-21
Publication date: 1986-07-31

Description

Dadurch daß die beiden Sendeelektroden und die Empfangselektrode in einem allseitig abgeschirmten Gehäuse mit einer fensterartigen Öffnung angeordnet sind, ist ein Nullpunktsabgleich unabhängig von der Lage eines außerhalb des Abschirmgehäuses befindlichen Objektes möglich. Erst mit dem Beaufschlagen des Objektes mit einer der beiden gegenphasigen Wechselspannungen wirkt das Objekt über die Öffnung im Abschirmgehäuse auf die Empfangselektrode ein und erzeugt dort einen zusätzlichen Meßstrom, durch den die Meßbrücke verstimmt wird. Die Höhe dieses Meßstroms ist dabei abhängig vom Abstand des Objektes zur Empfangselektrode und der Amplitude der beauf- schlagenden Wechselspannung. Von besonderem Vorteil ist es dabei, daß nur solche Objekte erfaßt werden, die mit einer Wechselspannung beaufschlagt sind, deren Frequenz genau der Betriebsfrequenz der Vorrichtung entspricht, so daß andere Meßobjekte ausgeblendet werden.
Während des Meßvorgangs ist eine Eichung in beliebigen Zeitintervallen auf einfache Weise möglich, indem der dem Objekt zugeordnete Schalter geöffnet wird.
Auf diese Weise ist es möglich, eine hohe Langzeitstabilität und einen definierten Ausgangspunkt zu erhalten, der die Durchführung einer Absolutmessung gestattet.
Bei einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Umschalter vorgesehen, der beim Beaufschlagen des Objektes mit einer Wechselspannung die für die gleichphasige Wechselspannung vorgesehene Sendeelektrode abschaltet. Bei einer solchen Anordnung ergibt sich bei einer bestimmten Lage des Objektes ein Zustand, der dem Zustand bei einem Nullpunktsabgleich entspricht.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, insbesondere für die Anwendung zur Vermessung von Vibrationen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung und F i g. 2 einen Sensorkopf mit einem vor dessen Stirnfläche angeordneten metallischen Objekt zur Vermessung dessen Schwingungen.
In F i g. 1 ist der Sensorkopf 1 der Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Lage eines elektrisch leitenden Objektes 2 schematisch zusammen mit den Baugruppen der Auswerteeinrichtung und der Ansteuereinrichtung dargestellt.
Der Sensorkopf 1 verfügt über ein Abschirmgehäuse 3, das beispielsweise aus einem mit Masse verbundenen Metallblech besteht, wie durch die Masseleitung 4 in F i g. 1 veranschaulicht ist.
Im Abschirmgehäuse 3 des Sensorkopfes 1 befinden sich voneinander isoliert eine erste Sendeelektrode 5, eine zweite Sendeelektrode 6 sowie eine Empfangselektrode 7, der im Abschirmgehäuse 3 eine Öffnung 8 zugeordnet ist, durch die von außen ein elektrisches Feld auf die Empfangselektrode 7 einwirken kann, deren Stirnfläche 9 bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Sensorkopf etwas aus dem Abschirmgehäuse 3 hinausragt und bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Ebene der Öffnung 8 fluchtet.
Die erste Sendeelektrode 5 ist mit einem ersten Ansteuerverstärker 10 und die zweite Sendeelektrode 6 mit einem zweiten Ansteuerverstärker 11 verbunden.
Über die Ansteuerverstärker 10, 11 werden die Sendeelektroden 5,6 mit um 1800 phasenverschobenen Wechselspannungen beaufschlagt, die beispielsweise Frequenzen zwischen 10 kHz und 100 kHz sowie Amplituden in der Größenordnung von 25 Vss haben. Eine der Sendeelektroden, beispielsweise die zweite Sendeelektrode 6, ist über die ersten Kontakte 12 einer Schalteranordnung 13 mit dem zugeordneten Ansteuerverstärker 11 verbunden. Über zweite Kontakte 14 ist der Ausgang des zweiten Ansteuerverstärkers 11 mit einem Potentiometer 15 verbunden, an dem eine Spannung abgegriffen wird, die über eine Leitung 16 zum abzutastenden Objekt 2 geführt ist.
Der Eingang 17 des ersten Ansteuerverstärkers 10 wird über einen Phasenschieber 18 mit dem Ausgangssignal eines amplitudenstabilen Oszillators 19 beaufschlagt. Der Oszillator 19 speist weiterhin den Eingang 20 des zweiten Ansteuerverstärkers 11, so daß an den Ausgängen der Ansteuerverstärker 10, 11 gegenphasige Wechselspannungen vorliegen. Um zu erreichen, daß die durch die gegenphasig beaufschlagten Sendeelektroden 5,6 in der Empfangselektrode 7 erzeugten Ströme sich gegenseitig kompensieren können, ist die Amplitude der dem zweiten Ansteuerverstärker 11 zugeführten Wechselspannung mit Hilfe eines zwischen dem Ausgang des Oszillators 19 und dem Eingang 20 des zweiten Ansteuerverstärkers 11 geschaltetes Potentiometer 21 veränderbar. Beim Betätigen des Potentiometers 21 kann das Verhältnis der die Sendeelektroden 5,6 beaufschlagenden gegenphasigen Wechselspannungen je nach dem Verhältnis der Abstände der Sendeelektroden 5, 6 von der Empfangselektrode 7 so eingestellt werden, daß der in der Empfangselektrode 7 erzeugte Meßstrom verschwindet.
Um die manuelle Justage mit Hilfe des Potentiometers 21 auch selbsttätig durchführen zu können, ist der Eingang 20 nicht nur über einen Widerstand 22 mit dem Potentiometer 21, sondern auch über einen weiteren Widerstand 23 mit einem Nullpunktskorrekturschaltkreis 24 verbunden, wobei durch Verwenden eines dritten Widerstandes 25 der zweite Ansteuerverstärker 11 insgesamt als Summierer für die über das Potentiometer 21 und über den Nullpunktskorrekturschaltkreis 24 eingespeisten Spannungen des Oszillators 19 wirkt.
Der Nullpunktskorrekturschaltkreis 24 verfügt über eine in F i g. 1 nicht dargestellte Taste, bei deren Betätigung ermittelt wird, ob der von der Empfangselektrode 7 abgegebene Meßstrom Null ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird entsprechend der Abweichung des Meßstromes in der Empfangselektrode 7 die über den Widerstand 23 eingespeiste Wechselspannung erhöht oder erniedrigt, bis die Wirkungen der von den Sendeelektroden 5,6 erzeugten Felder im Bereich der Empfangselektrode 7 kompensiert sind.
Die Empfangselektrode 7 ist mit dem niederohmigen Eingang eines auf die Frequenz des Oszillators 19 abgestimmten Schmalbandverstärkers 26 verbunden. Das verstärkte Ausgangssignal gelangt zu einem phasenempfindlichen Gleichrichter 27, dessen Phaseneingang über einen Phasenschieber 28 mit dem Oszillator 19 verbunden ist. Das frequenzselektiv verstärkte und phasenselektiv gleichgerichtete Meßsignal der Empfangselektrode 7 gelangt schließlich zu einer Integrations-und Verstärkungsschaltung 29, deren Ausgangssignal ein Maß für das auf die Empfangselektrode 7 einwirkende elektrische Wechselfeld ist.
Die Integrations- und Verstärkungsschaltung 29 ist über einen ersten Ausgang mit dem Eingang des Nullpunktskorrekturschaltkreises 24 verbunden, so daß bei einem Wirksamwerden des Nullpunktskorrekturschaltkreises 24 eine Rückkopplung erfolgen kann, die einen internen Abgleich des Sensorkopfes 1 gestattet, bei dem der Abgleich so vorgenommen wird, daß das in den Schmalbandverstärker eingespeiste Meßstromsignal verschwindet.
Ein zweiter Ausgang der Integrations- und Verstärkungsschaltung 29 ist mit einer Schnittstelle 30 verbunden, die ihrerseits an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Auswerteeinheit angeschlossen ist, die es gestattet die Bewegungen des Objektes 2 und insbesondere die Auslenkungen eines schwingenden Objektes 2 zu erfassen, wobei eine Amplituden- und eine Frequenzer- fassung von vibrierenden Objekten 2 durchgeführt wird.
Das am Ausgang der Schnittstelle 30 zur Verfügung stehende Signal, das dem Abstand des Objektes 2 entspricht, ist zunächst nach dem internen Abgleich des Sensorkopfes 1 noch Null und nach dem Schließen der zweiten Kontakte 14 der Schalteranordnung 13 eine Funktion des Abstandes des Objektes 2 vom Sensorkopf 1. Da das Objekt 2 ähnlich wie die Sendeelektroden 5,6 ein auf die Empfangselektrode 7 einwirkendes elektrisches Wechselfeld erzeugt, wird den sich kompensierenden Feldern der Sendeelektroden 5, 6 ein weiteres Feld überlagert, wobei aufgrund der brückenartigen Schaltung der verschiedenen Elektroden eine hohe Langzeitstabilität erreicht werden kann. Von besonderem Vorteil ist es dabei, daß die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung eine Absolutmessung des Abstandes des Objektes 2 vom Sensorkopf 1 gestattet. Die Empfindlichkeit der Erfassungsvorrichtung läßt sich mit Hilfe des Potentiometers 15 einstellen, wobei beim Abgreifen einer höheren Spannung auch größere Entfernungen des Objektes 2 vom Sensorkopf 1 erfaßt werden können.
Wenn während eines Meßvorgangs die zweiten Kontakte 14 der Schalteranordnung 13 geöffnet werden, kann in beliebigen Zeitintervallen erneut eine Eichung des Sensorkopfes 1 mit Hilfe des internen Abgleichs stattfinden, ohne daß das Objekt 2 den Sensorkopf 1 beeinflussen kann. Das Objekt 2 kann nur dann auf den Sensorkopf 1 einwirken, wenn es mit einer Spannung versorgt ist, deren Frequenz dem schmalen Band des Schmalbandverstärkers 26 entspricht.
Wenn die Schalteranordnung 13 so betätigt wird, daß wahlweise nur einer der Kontakte 12, 13 geschlossen ist, ergibt sich eine Umschaltung zwischen der internen zweiten Sendeelektrode 6 und dem ebenfalls als Sendeelektrode wirksamen Objekt 2. Je nach dem Abstand des Objektes 2 ergibt sich dann am Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters 27 ein positives oder ein negatives Signal, wobei bei einem bestimmten Abstand des Objektes 2 von der Stirnfläche 9 auch der Sonderfall eines Nullsignals vorkommen kann.
In F i g.^2 ist ein Ausführungsbeispiel für den Sensorkopf 1 detaillierter dargestellt. Das Abschirmgehäuse 3 hat einen zylindrischen Abschnitt 40 und einen kegelstumpfartigen Abschnitt 41. Die Abschnitte 40,41 bestehen aus einem Abschirmblech. An der Stirnseite des Sensorkopfes 1 ist die Öffnung 8 vorgesehen, in die die Empfangselektrode 7 so weit hineinragt, daß die Stirnfläche 9 der Empfangselektrode 7 mit der Ebene der Öffnung 8 fluchtet.
Wie man in F i g. 2 erkennt, ist die Empfangselektrode 7 als stirnseitig geschlossenes elektrisch leitendes Rohr ausgebildet, dessen Längsachse mit der Längsachse des zylindrischen Abschnitts 40 und des kegelstumpfartigen Abschnitts 41 des Abschirmgehäuses 3 fluchtet, so daß insgesamt ein zylindersymmetrischer Sensorkopf 1 gebildet ist Die als Rohr ausgebildete Empfangselektrode 7 ist in einem Isolatorkörper 42 eingebettet und über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Koaxialleitung mit dem Eingang des Schmalbandverstärkers 26 verbunden.
Im Innern der rohrförmigen Empfangselektrode 7 ist die erste Sendeelektrode 5 in Gestalt eines Drahtes oder Stabes angeordnet, wobei eine koaxiale Führung mit Hilfe zweier Isolationsringe 43 erreicht wird. Im Isolatorkörper 42 ist eine ringförmige Ausnehmung für die zweite Sendeelektrode 6 vorgesehen, die die Gestalt eines Ringes oder Zylindermantels aufweist, dessen stirnseitige Berandung 44 gegenüber der Stirnfläche 9 der Empfangselektrode 7 nach innen ins Innere des Abschirmgehäuses 3 zurückgezogen liegt. Um eine Zylindersymmetrie zu gewährleisten, ist die zylinderförmige zweite Sendeelektrode 6 durch Isolationsringe 45 gegenüber der rohrförmigen Empfangselektrode 7 abgestützt. Die Sendeelektroden 5, 6 sind ebenfalls durch in der Zeichnung nicht dargestellte Koaxialkabel aus dem Abschirmgehäuse 3 herausgeführt.
Der Durchmesser D des die Empfangselektrode 7 bildenden Rohres kann beispielsweise 5 mm betragen. Bei einem Abstand d von 0,5 mm zwischen der Oberfläche des Objektes 2, das beispielsweise eine schwingende Platte sein kann, und der Stirnfläche 9 können Amplituden in der Größenordnung von 1 um ohne weiteres erfaßt werden. Die Erfassung lokaler Schwingungen auf dem Objekt 2 kann bei ausreichend hoher Betriebsfrequenz des Oszillators 19 für Frequenzen bis zu einigen 10 kHz durchgeführt werden. Hinsichtlich der Amplitude können abhängig vom Abstand d zwischen dem Objekt 2 und der Stirnfläche 9 Beträge bis zu einigen 10 nm erfaßt werden. Die Ortsauflösung bei der Erfassung von plattenförmigen schwingenden Objekten 2 liegt in Abhängigkeit vom Durchmesser D der Stirnfläche 9 und Abstand dzwischen der Stirnfläche 9 und dem Objekt 2 im Submillimeterbereich.
Der Sensorkopf 1 gestattet es somit, die Vermessung von schwingenden Metallteilen oder von mit elektrisch leitenden Schichten überzogenen Objekten 2 durchzuführen, wobei neben der Schwingungsfrequenz auch die Schwingungsamplituden entweder in einem lokalen Bereich oder ihre Verteilungen über ein Flächenstück erfaßt werden können. Mit Hilfe der in der Zeichnung nicht dargestellten Auswerteeinheit kann ausgehend von den augenblicklichen Abstandswerten bei Bedarf auch die Phasenlage und die maximale Beschleunigung an der Oberfläche des Objektes 2 bestimmt werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Lage eines Objektes, insbesondere der Schwingungen eines vibrierenden Objektes, mit einer an den Eingang einer frequenzselektiv sowie phasenselektiv arbeitenden Auswerteeinrichtung angeschlossenen, von einer Abschirmung und einem Isolator umgebenen Empfangselektrode, der innerhalb der Abschirmung angeordnete felderzeugende erste und zweite Sendeelektroden zugeordnet sind, die über erste und zweite Ansteuerverstärker mit gegenphasigen Wechselspannungen beaufschlagt sind, deren Amplitudenverhältnisse über einen Nullpunktkorrekturschaltkreis verstellbar sind bis die in der Empfangselektrode durch die Sendeelektroden influenzierten Ströme gegenseitig aufgehoben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung ein Abschirmgehäuse (3) ist, das an seiner zum Objekt (2) weisenden Stirnseite (41) über eine Öffnung (8) verfügt, bis in deren Nähe sich die Empfangselektrode (7) erstreckt, während die Sendeelektroden (5, 6) weiter in Richtung auf das Innere des Abschirmgehäuses (3) zurückgezogen sind, und daß das zu erfassende Objekt (2) über einen Schalter (13, 14) an die Spannung einer der Ansteuerverstärker (11) angeschlossen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmgehäuse (3) zylinderförmig ist und die Öffnung (8) an der zum Objekt (2) weisenden Stirnseite scheibenförmig ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite (41) kegelstumpfartig ausgebildet ist, wobei der kleinere Durchmesser dem Durchmesser der Öffnung (8) und der größere Durchmesser dem Durchmesser eines zylindrischen Abschnitts (40) des Abschirmgehäuses (3) entspricht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangselektrode (7) ein stirnseitig geschlossenes Rohr ist, daß die erste Sendeelektrode (5) als ein in der rohrförmigen Empfangselektrode (7) angeordneter Draht und daß die zweite Sendeelektrode (6) als ein das Rohr umgebender Zylindermantel ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeelektrode (5, 6) und die Empfangselektrode (7) konzentrisch im Abschirmgehäuse (3) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sendeelektrode (6) eine stirnseitige Berandung (44) aufweist, die gegenüber der Stirnfläche (9) der Empfangselektrode (7) im Inneren des Abschirmgehäuses (3) zurückgezogen liegt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangselektrode (7) und die zweite Sendeelektrode (6) in einem Isolierkörper (42) eingebettet sind und daß die erste Sendeelektrode (5) und die zweite Sendeelektrode (6) jeweils durch Isolierringe (43, 45) gegenüber der Empfangselektrode (7) abgestützt sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (13) ein Umschalter (12, 14) ist, durch den beim Verbinden des Objektes (2) mit einem der Ansteuerverstärker (11) eine Trennung der Verbindung (12) der zugeordneten Sendeelektrode (6) erfolgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (2) über eine einstellbare Potentiometerschaltung (15) mit dem Schalter (13, 14) für die Sendeelektrodenspannung verbunden ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Lage eines Objektes, insbesondere der Schwingungen eines vibrierenden Objektes, mit einer an den Eingang einer frequenzselektiv sowie phasenselektiv arbeitenden Auswerteeinrichtung angeschlossenen, von einer Abschirmung und einem Isolator umgebenen Empfangselektrode, der innerhalb der Abschirmung angeordnete felderzeugende erste und zweite Sendeelektroden zugeordnet sind, die über erste und zweite Ansteuerverstärker mit gegenphasigen Wechselspannungen beaufschlagt sind, deren Amplitudenverhältnisse über einen Nullpunktkorrekturschaltkreis verstellbar sind bis die in der Empfangselektrode durch die Sendeelektroden influenzierten Ströme gegenseitig aufgehoben sind.

Eine derartige Vorrichtung mit einem U-förmigen Abschirmprofil ist aus der EP 00 38 551 bekannt und gestattet es, nach einem Abgleich, bei dem die durch die beiden felderzeugenden Sendeelektroden in der Empfangselektrode bewirkten Ströme gegenseitig kompensiert sind, die Annäherung eines Objektes im Bereich der Felder der Sendeelektroden dadurch zu erfassen, daß der Strom in der Empfangselektrode einen von Null verschiedenen Wert annimmt. Wenn das zu erfassende Objekt sich bei der Durchführung des Nuilpunktsabgleichs bereits innerhalb der Reichweite der durch die Sendeelektroden erzeugten Felder befindet, ist es mit der bekannten Vorrichtung nicht möglich, Absolutmessungen durchzuführen, denn nach dem Nullpunktsabgleich befindet sich die Anordnung nicht an einer vorherbestimmbaren Stelle der unterschiedliche Steigungen aufweisenden Kennlinie der Vorrichtung.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es gestattet, den Abstand des Objektes als Absolutwert zu vermessen, und die sich durch eine hohe Langzeitstabilität auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abschirmung ein Abschirmgehäuse ist, das an seiner zum Objekt weisenden Stirnseite über eine Öffnung verfügt, bis in deren Nähe sich die Empfangselektrode erstreckt, während die Sendeelektroden weiter in Richtung auf das Innere des Abschirmgehäuses zurückgezogen sind, und daß das zu erfassende Objekt über einen Schalter an die Spannung einer der Ansteuerverstärker angeschlossen ist.