DE69014643T2 - Kapazitätssonde. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf Kapazitätssonden zum Messen der Breite von Schlitzen oder Zwischenräumen zwischen elektrisch leitfähigen Teilen. Insbesondere betrifft die Erfindung Verbesserungen am Sondenaufbau, die eine Anpassung der Sonde an Schlitze von wesentlich unterschiedlichen Nennbreiten erlauben und das Messen der Schlitzbreite innerhalb des Schlitzes über einen vergrößerten Breiten- oder Tiefenbereich oder beides hinweg mit minimalem Empfindlichkeitsverlust sowie eine reproduzierbare Positionierung der Sonde im Schlitz während des Meßvorganges ermöglichen.
• Es sind bereits seit vielen Jahren unterschiedlichste elektrische Sonden in Wissenschaft und Industrie zum Messen von Eigenschaften oder Merkmalen, wie Flüssigkeitsdurchfluß, Zwischenräume, Feuchtigkeitsgehalt, Flüssigkeitsstand, Materialzusammensetzung, elektrostatischer Zustand und dergl., im Einsatz. Zwar weist jede Anwendung ihre eigenen Besonderheiten auf, die den Sondenaufbau und die Art der Verwendung beeinflussen, gemeinsam ist jedoch dem Aufbau dieser Sonden, daß sie aus übereinanderliegenden oder konzentrischen Schichten aus die Sondenelektroden bildenden Materialien, isolierenden oder dielektrischen Materialien und sonstigen Elementen bestehen.
• US-A-3.269.180 beschreibt zum Beispiel eine Kapazitätselektrode zur Strömungsmessung, bei der eine speziell geformte Elektrode von einer dielektrischen Hülle umgeben und auf der Außenseite der Hülle mit einer Schutz- oder Schirmelektrode versehen ist. US-A-3.706.980 und 3.781.672 beschreiben Hochfrequenzsysteme zum Messen von Flüssigkeitsständen, bei denen konzentrische Sonden und Schutzelektroden zum Messen der Impedanz der Flüssigkeiten als Indikator für die Tiefe der Flüssigkeit eingesetzt werden. US-A-4.064.753 lehrt, die Sonde und die Schirmelektroden in einem Flüssigkeitsstand-Meßsystem nicht, wie dies bis dahin üblich war, in getrennten Schichten, sondern auf einer gemeinsamen Fläche anzuordnen. Desgleichen beschreibt US-A-4.318.042 die Verwendung koplanarer Sonden, wobei sich die Schirmelektrode zum Schutz der Sondenelektrode gegen Streuspannungen, die Meßfehler erzeugen würden, praktisch um den gesamten Umfang der Sondenelektrode erstreckt.
• Bei einer weiteren den Erfindern bekannten und zum Messen der Breite von Schlitzen oder Zwischenräumen zwischen elektrisch leitfähigen Teilen eingesetzten Kapazitätssonde war die Sondenelektrode aus dünnem, chemisch blank geätztem Edelstahl ausgebildet, der beiderseits mit einer dünnen Schicht eines freiliegenden thermoplastischen Klebers bedeckt und heiß eingeschweißt wurde. Bei manchen Anwendungen wurden auch Schirmelektroden verwendet, die mit den Sondenelektroden in einer Ebene lagen. Der so erhaltene Aufbau wurde dann beiderseits mit einer dünnen metallisierten dielektrischen Schicht bedeckt, in die dann oberhalb der Spitze der Sondenelektroden Meßöffnungen geschnitten wurden, die den aktiven Bereich der Sonde definierten. Nach dem Einschneiden der Meßöffnungen wirkte die dünne metallisierte Schicht in der fertigen Sonde als überdeckende Schirmelektrode. Dann wurde zwischen der koplanaren Schirmelektrode und der metallisierten Schicht ein Folienleiterkontakt befestigt. Nach dem schwierigen Vorgang des Schneidens der Öffnung wurde die ganze Einheit dann mit Polytetrafluoräthylenband (PTFE) umwickelt und heiß verschweißt, so daß der fertige Schichtaufbau nicht auseinandergenommen werden konnte, ohne die Sonde zu zerstören.
• Diese letztgenannten Arten von Sonden waren schwierig herzustellen, und es entstanden zahlreiche Probleme. Die Gesamtdicke der Sonden schwankte in einem recht breiten Bereich, was zu unerwünschtem Taumeln der Sonden führte, wenn diese für Breitenmessungen über eine gewisse Streckenlänge in Zwischenräumen entlangbewegt wurden. Da die Sonden normalerweise im Gebrauch nur in einem Halter eingespannt waren, neigten sie dazu, sich in diesem Halter zu bewegen, was zu ungenauen oder nicht reproduzierbaren Messungen führte. Aus demselben Grund bestand auch die Möglichkeit, daß die Benutzer solcher Sonden sie zum Messen unterschiedlich in den Klemmhaltern positionierten, wodurch sich wieder andere Ungenauigkeiten ergaben. Auch die mühsame manuelle Herstellung dieser Sonden brachte weitere Probleme mit der präzisen Positionierung der Sondenelektrode innerhalb der Sonde und unterhalb der Meßöffnungen, mit schlechten elektrischen Kontakten, unvorhersehbaren Kontaktwiderständen und - wegen dieser Variablen - geringen Ausbeuten mit sich.
• Damit haben Sonden der verschiedenen vorstehend erörterten Arten sich zwar in gewissem Rahmen in Wissenschaft und Industrie durchgesetzt, es besteht aber weiterhin ein Bedarf für eine Sonde, insbesondere eine Kapazitätssonde, zum Messen der Breite von Schlitzen oder Zwischenräumen, die einfach und reproduzierbar herzustellen und einzusetzen ist.
• Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Kapazitätssonde bereitzustellen, die in großen Mengen mit einem Minimum an manuellen Arbeitsgängen hergestellt werden kann, dabei aber einfach und im Einsatz unter industriellen Bedingungen robust ist.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Sonde, die sich unter Verwendung im wesentlichen derselben Grundabmessungen der Sonde in einfacher Weise zum Messen von Zwischenräumen sehr unterschiedlicher Nennbreiten anpassen läßt.
• Außerdem hat die Erfindung die Aufgabe, einen verbesserten Träger für eine derartige Sonde bereitzustellen, an dem die Sonde derart befestigt wird, daß Relativbewegungen zwischen Sonde und Träger im wesentlichen ausgeschaltet und Bewegungen des Trägers relativ zu dem zu messenden Zwischenraum minimiert werden.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Kapazitätssonde, die zum Messen der Breite über einen größeren Längen- oder Tiefenbereich oder beides eingesetzt werden kann, ohne daß hierbei eine Neukalibrierung der auf die Sonde ansprechenden Instrumente erforderlich wäre, und ohne wesentlichen Empfindlichkeitsverlust.
• Die vorstehenden Aufgaben der Erfindung sind nur als Beispiele angegeben. Für den Fachmann können daher weitere, durch die offenbarte Erfindung erreichbare Ziele offensichtlich oder naheliegend sein.
• Erfindungsgemäß wird eine Kapazitätssonde gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
• Einer Ausführungsform der Erfindung betrifft Verbesserungen an einer Kapazitätssonde zum Messen der Breite eines Schlitzes oder eines Zwischenraums mit mindestens einer dünnen, flachen, eine Vorder- und eine Rückseite aufweisenden Sondenelektrode, einer an der Vorderseite fest aufgebrachten ersten Schicht aus dielektrischem Material, einer an der Rückseite fest aufgebrachten zweiten Schicht aus dielektrischem Material, einer dünnen, flachen Schirmelektrode, die an der Außenseite mindestens einer der beiden Schichten aus dielektrischem Material fest aufgebracht ist und gegenüber der Spitze der Sondenelektrode eine durchgehende Öffnung aufweist, die den aktiven Bereich der Sonde bildet. Damit die Sonde in Schlitzen mit einem zu messenden beträchtlichen Nennweitenbereich eingesetzt werden kann, besitzt sie ferner eine erste von Hand abziehbare Gleitschicht, die auf eine Außenfläche der Sonde aufgebracht ist, und eine zweite von Hand abziehbare Gleitschicht, die auf die andere Außenfläche der Sonde aufgebracht ist. Da diese letztgenannten Schichten von Hand abziehbar auf die Sondenseiten aufgebracht sind, können sie bei Abnutzung abgezogen und ersetzt werden, damit die Sonde für eine gegebene Anwendung weiter einsetzbar ist, oder aber durch ähnliche, dickere oder dünnere Schichten eines von Hand abziehbaren Materials ersetzt werden, um die Sonde für den Einsatz in Schlitzen wesentlich anderer zu messender Breitenbereiche anzupassen.
• Im Sinne dieser Beschreibung ist unter "fest aufgebracht" zu verstehen, daß die aufgebrachte Schicht normalerweise durch einfache manuelle Techniken nicht entfernt werden soll bzw. kann, ohne das Gerät zu beschädigen, während "von Hand abziehbar aufgebracht" bedeutet, daß die so aufgebrachte Schicht tatsächlich mit einfachen manuellen Techniken, zum Beispiel durch Erfassen der Kanten mit den Fingern und Abziehen der Schicht, entfernt werden soll und auch kann.
• Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist die Sonde, wie sie vorstehend allgemein beschrieben ist, in ihrer Schirmelektrode gegenüber der Spitze der Sondenelektrode eine Vielzahl von durch die Dicke der Elektrode hindurchgehenden Löchern auf. Aufgrund dieser Löcher kann die darunterliegende Sondenelektrode größer sein, wobei durch die Löcher dennoch derselbe Meßbereich der Sondenelektrode freiliegt, wie er bei einer Sonde vorhanden wäre, die nicht über eine solche Schutzelektrode mit Löchern verfügt. Wegen der größeren Sondenelektrode kann die Sonde Schlitzbreiten über einen größeren Seitenwandbereich von Schlitzen oder Zwischenräumen mit etwa derselben Empfindlichkeit messen, die bei einer Sonde erreichbar wäre, die nicht über diese mit Löchern versehene Schirmelektrode verfügt und Messungen über einen kleineren Seitenwandbereich ausführt.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die vorstehend allgemein beschriebene Kapazitätssonde mit einem elektrisch leitfähigen Trägerblock für die Sonde versehen, der eine im wesentlichen flache Seite aufweist, an der die Sonde mit Mitteln befestigt ist, die die Sondenelektrode und die Schirmelektrode an insgesamt mindestens zwei Punkten durchbohren, um so nicht nur einen guten elektrischen Kontakt, sondern auch eine sichere mechanische Verbindung herzustellen. Der Teil der Sonde, der den aktiven Bereich der Sondenelektrode umfaßt, erstreckt sich über den Umfang der flachen Seite hinaus und kann so in den Schlitz oder den Zwischenraum eingeführt werden. Um das Einführen der Sonde in den Schlitz und ihre Bewegung entlang des Schlitzes weiter zu erleichtern, verlaufen vorzugsweise die Seitenkanten der Sonde in einer vom Trägerblock weg weisenden Richtung sich verjüngend aufeinander zu.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• Es zeigen
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schlitzbreiten-Meßsystems, in dem die erfindungsgemäßen Sonden einsetzbar sind;
• Fig. 2 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, in der zu erkennen ist, wie die verschiedenen Sonden- und Schirmelektrodenschichten ausgebildet und zusammengesetzt sind;
• Fig. 3A eine stark vergrößerte Detailansicht der Spitze einer Sondenelektrode und einer Schirmelektrodenöffnung, in der die Größenverhältnisse zueinander zu erkennen sind;
• Fig. 3B eine stark vergrößerte Detailansicht einer Sondenelektrode und einer Schirmelektrodenöffnung der Ausführungsform, bei der die Schirmelektrode mit Löchern einer Fläche versehen ist, die im wesentlichen dem Flächenbereich der Öffnung gemäß Fig. 3A entspricht, damit die Sonde einen größeren Seitenwandbereich ohne Veränderung der Empfindlichkeit abtasten kann;
• Fig. 4 eine Draufsicht der erfindungsgemäß bevorzugten Sonde mit koplanarer Schirmelektrode;
• Fig. 5 eine Draufsicht der erfindungsgemäß bevorzugten überlagernd angeordneten Schirmelektrode mit Meßöffnung;
• Fig. 6 eine auseinandergezogene Ansicht einer bevorzugten, unter Verwendung des Elektrodenaufbaus gemäß Fig. 4 und 5 hergestellten Sonde, in der zu erkennen ist, wie die einzelnen Schichten zusammengefügt sind;
• Fig. 7 eine schematische Darstellung der verschiedenen Schichten der Sonde gemäß Fig. 6;
• Fig. 8 eine auseinandergezogene Darstellung einer erfindungsgemäß bevorzugten Sonde mit Trägerblock;
• Fig. 9 eine schematische Darstellung der verschiedenen Schichten einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
• Fig. 10 eine typische Kalibrierkurve einer erfindungsgemäßen Sonde, wobei die Sondenspannung als Funktion der Schlitzbreite aufgetragen ist;
• Fig. 11 eine typische, im praktischen Einsatz aufgezeichnete Meßkurve einer solchen Sonde, wobei die Sondenspannung als Funktion der Schlitzlänge aufgetragen ist.
• Nachfolgend werden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen beschrieben, wobei dieselben Bezugsziffern in den einzelnen Figuren jeweils die gleichen Bauelemente bezeichnen.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nun die allgemeine Arbeitsweise eines Systems zum Messen von Schlitzbreiten unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Sonde 10 beschrieben. Der aktive Bereich der Sonde 10 wird in den Schlitz oder Zwischenraum 12 der Struktur 14 eingeführt, deren Schlitzbreite zu messen ist. Der Schlitz 12 weist normalerweise Seitenwandungen 16, 18 und eventuell eine Bodenwandung 20 auf. Die Außenkanten des Schlitzes 12 werden oftmals durch flache Lippen 22 begrenzt, auf denen die Sonde 10 gleiten kann, wie dies nachstehend noch besprochen wird. Die Sonde 10 bildet zur geerdeten Struktur 14 eine Kapazität und wird gespeist und überwacht von einem herkömmlichen Kapazitätsmesser 24, zum Beispiel einem solchen des Typs AS-2021-SAI der Firma Mechanical Technologies, Inc., Latham, New York. Der Kapazitätsmesser 24 kann einen Sondenverstärker 26 und einen Referenz-Oszillator 28 umfassen; seine Ausgabe wird einer Signalverarbeitungseinheit 30 zugeführt, die hauptsächlich während der Kalibrierung zur Einstellung des Meßbereichs des Instruments dient. Das Ausgangssignal der Einheit 30 wird einem herkömmlichen Streifen- oder X-Y-Schreiber zugeführt. Die Sonde kann gegebenenfalls zum Messen der Breite des Schlitzes 12 an nur einer Stelle eingesetzt werden; normalerweise wird sie jedoch zum Messen des Breitenprofils entlang der Schlitzlänge geführt. Die Bewegung kann von Hand oder automatisch erfolgen; in jedem Fall ist jedoch ein herkömmlicher Positionsgeber 34 vorgesehen, der die Position der Sonde 10 entlang des Schlitzes überwacht und dem Schreiber 32 ein entsprechendes Signal zuführt. Bei Verwendung einer - nicht dargestellten - automatischen Verschiebeeinrichtung wird vorzugsweise eine Verschiebemotorsteuerung 36 zwischen den Verschiebemotor und die Sonde zwischengeschaltet, der die Funktion des Schreibers 32 mit der Bewegung der Sonde 10 synchronisiert. Die Ergebnisse der einzelnen Durchläufe der Sonde 10 werden aufgezeichnet und nach Bedarf zur Beurteilung des Zustands des Schlitzes 12 verwendet.
• In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die sieben Schichten oder Lagen umfaßt. Eine mittlere Schicht 38 und eine erste äußere Schicht 50, die vorzugsweise im Hinblick auf Biegefestigkeit aus Edelstahl in einer Stärke von 0,0005" bis 0,005" (0,00127 cm bis 0,127 cm) bestehen, aber durchaus auch aus anderen Metallen hergestellt sein können, sind auf gegenüberliegenden Seiten auf eine 0,001" bis 0,003" (0,00254 cm bis 0,00762 cm) dicke Schicht 40 auflaminiert, die aus einem elektrisch isolierenden Kleber, zum Beispiel DuPont Pyralux LF0100, einem speziell modifizierten Acrylmaterial, besteht. Für die Schichten 38 und 50 wird Edelstahl bevorzugt weil bei gegebenen erwünschten Leistungskriterien eine Stahlelektrode sehr viel dünner ausgebildet werden kann als zum Beispiel eine Kupferelektrode. Diese dünne Ausbildung ist wichtig, weil während des Laminierens geätzte Elektroden aus einem dickeren Material die angrenzenden isolierenden Schichten eher durchschneiden und einen Kurzschluß zu den Schirmelektroden verursachen können.
• Ein Kleber der Art wie zum Beispiel Pyralux LF0100 läßt sich bei Temperaturen von etwa 177ºC und bei einem Druck von etwa 150 bis 200 psi (1034 bis 1379 kPa) in etwa einer Stunde gut laminieren. Dann werden die Schichten 38 und 50 mittels herkömmlicher Fotolackverfahren so geätzt, daß der schmale Streifen 42, der der besseren Darstellung halber schattiert gezeichnet ist, vollständig von der Schicht 38 entfernt wird und damit in der Schicht 38 eine langgestreckte mittige Sondenelektrode 44 sowie eine koplanare umgebende Schutz- oder Schirmelektrode 46 ausgebildet werden, wobei in der Schicht 50 unmittelbar gegenüber der Spitze der Sondenelektrode 44 eine durch die gesamte Dicke der Schicht 50 hindurchgehende Öffnung oder ein Fenster 56 definiert und der Eckbereich 58 vollständig entfernt wird, um eine elektrische Verbindung zur Anschlußfläche 62 links an der Sondenelektrode 44 zu ermöglichen. Der Streifen 42 ist vorzugsweise um die gesamte Sondenelektrode 44 herum 0,001" bis 0,020" (0,00254 cm bis 0,0508 cm) breit, so daß ausreichende Isolierung gegenüber der Schirmelektrode 46 gewährleistet ist. Die Öffnung 56 ist kleiner bemessen als die darunterliegende Spitze der Sondenelektrode 44, so daß sich ihre Kanten nach innen über die darunterliegenden Kanten der Sondenelektrode hinaus erstrecken. Dies ermöglicht es der Schirmelektrodenschicht, einer Deformation der Schutzelektrode nach außen zu widerstehen. Anschließend werden eine zweite Kleberschicht 48 und eine zweite äußere Schicht 52 aus Edelstahl auf die geätzte Oberfläche der Schicht 38 auflaminiert. Die Schicht 52 wird dann mittels herkömmlicher Fotolacktechniken so geätzt, daß unmittelbar gegenüber der Spitze der Sondenelektrode 44 durch die gesamte Dicke der Schicht 52 eine Öffnung bzw. ein Fenster 54 ausgebildet und der Eckbereich 60 vollständig entfernt wird, um eine elektrische Verbindung mit der Anschlußfläche 62 links von der Sondenelektrode 44 zu ermöglichen. Der klareren Darstellung halber sind die Öffnungen 54, 56 und die Eckbereiche 58, 60 schattiert gezeichnet. Nach dem Entfernen der Öffnungen 54, 56 und der Bereiche 58, 60 bilden die Reste der Schichten 50, 52 vordere und rückwärtige Schirmelektroden 64, 66. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die soeben beschriebenen Laminier- und Ätzschritte in unterschiedlicher Reihenfolge und auch für eine große Anzahl Sonden gleichzeitig ausgeführt werden können, wobei dann die einzelnen Sonden auf geeignete Weise aus dem hergestellten größeren Verbund zugeschnitten werden.
• Schließlich werden äußere Schichten 68, 70 aufgebracht, bei denen es sich um fest aufgebrachte (auflaminierte) Schichten aus dem weiter oben schon erwähnten isolierenden Kleber handeln kann. Bevorzugt ist jedoch, daß die Schichten 68, 70 aus von Hand abziehbar aufgebrachtem Material, zum Beispiel einem Polytetrafluoräthylenband DuPont CHR HM255 (Teflon oder PTFE) oder dergleichen, bestehen. Auch Polyamid- und Polyesterbänder sind möglich; wegen der relativ höheren Gleitfahigkeit von PTFE ist dieses Material im Hinblick auf das leichtere Einführen und Bewegen der Sonde 10 jedoch vorzuziehen. Die genannten Bänder sind in verschiedenen Stärken ohne weiteres erhältlich, so daß der Benutzer der Sonde deren Dicke im Einsatz dem jeweiligen Schlitz 12 anpassen oder aber einfach die Schichten 68, 70 ersetzen kann, wenn die Sonde 10 im Gebrauch Abnutzung zeigt. Bevorzugt werden die Schichten 68, 70 so dick ausgebildet, daß ein seitlicher Abstand von weniger als 0,0005" (0,00127 cm) verbleibt und während des Messens Dezentrierfehler minimiert werden. Wenn zur Anpassung an einen bestimmten Schlitz zusätzliche Bandschichten aufgebracht werden müssen, ist eine gewisse Verschlechterung der Genauigkeit zu erwarten, die jedoch dadurch korrigiert werden kann, daß man eine Sonde mit größerem aktiven Bereich verwendet. Alternativ kann für derartige breitere Schlitze oder Zwischenräume eine Sonde der in Fig. 9 dargestellten Art eingesetzt werden. Unabhängig davon, welches Material für die Schichten 68, 70 gewählt wird, werden geeignete Mittel, zum Beispiel Schrauben 72, 74, vorzugsweise aus Messing, zur Herstellung der erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen der Sondenelektrode 44, den Schirmelektroden 64, 66 und dem Meßsystem der in Fig. 1 dargestellten Art verwendet. Die bevorzugte Befestigung einer solchen Sonde ist im einzelnen weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutert.
• Fig. 3A zeigt eine stark vergrößerte Detailansicht der Spitze einer Sondenelektrode 44 mit der darüberliegenden Öffnung 54. Bei einer praktischen Anwendung waren die Öffnungen 54, 56 0,030" (0,0762 cm) breit und 0,480" (1,219 cm) hoch, während die Spitze der Sondenelektrode 44 0,050" (0,127 cm) breit und 0,500" (1,27 cm) lang war. Da die Öffnungen 54, 56 kleiner waren als die Spitze der Elektrode 44, war der aktive Bereich der Sonde gleich der Fläche der Öffnungen bzw. 0,0144 Zoll² (0,0929 cm²) groß. Es sei nun angenommen, daß die Breite eines Schlitzes über einen größeren Seitenwandungsbereich mit einer Tiefe von 0,920" (2,337 cm) hinweg gemessen werden soll. Dies könnte zum einen dadurch bewerkstelligt werden, daß man eine Vielzahl von Sonden verwendet, deren Sondenelektroden fortschreitend an tieferen Punkten im Schlitz bzw. im Zwischenraum angeordnet werden. Oder aber die Messung kann mittels einer längeren Sondenelektrode derselben Breite in Verbindung mit speziell ausgebildeten Öffnungen, wie diese schematisch in Fig. 3B dargestellt sind, ausgeführt werden. Im letzteren Fall haben die Anmelder überraschenderweise festgestellt, daß Kalibrierung, Verstärkungsfaktor und Empfindlichkeit der Sonde bei einer solchen breiteren Sondenelektrodenspitze nicht angepaßt werden müssen, vorausgesetzt daß der durch die Öffnungen 54. 56 freigegebene aktive Bereich der Sonde im wesentlichen unverändert bleibt. Die Anmelder haben festgestellt, daß im Hinblick auf die Aufrechterhaltung eines solchen konstanten aktiven Bereichs die einzelne Öffnung 54, 56 durch eine Vielzahl von Löchern 76 derart ersetzt werden kann, daß der Öffnungsbereich der Löcher 76 in der Summe im wesentlichen denselben aktiven Bereich bildet, den die einzelnen Öffnungen 54, 56 in Fig. 3A jeweils aufweisen. Für den Fachmann ist auch ersichtlich, daß derartige Löcher auch dazu verwendet werden können, bei einer sehr viel größeren Sonde denselben aktiven Bereich freizulegen, um Messungen über einen größeren Längenbereich eines Schlitzes oder eines Zwischenraums ausführen zu können. Die Löcher 76 können mittels herkömmlicher Fotolackverfahren, durch Laserbearbeitung oder mittels anderer dem Fachmann bekannter Verfahren hergestellt werden. Die Anmelder haben festgestellt, daß Löcher mit einem Nenndurchmesser von 0,010" (0,0254 cm) oder darüber zu bevorzugen sind, jedoch sind im Rahmen dieser Ausführungsform der Erfindung auch anders geformte oder bemessene Öffnungen möglich. Zum Beispiel können statt runder Löcher 76 konzentrische Ringspalte ähnlich dem Spalt 42 oder Gruppen kurzer gerader oder gebogener Spalte verwendet werden, solange der aktive Bereich bei Vergrößerung der Spitze der Sonde im wesentlichen gleich bleibt. Im Sinne dieser Beschreibung sind unter dem Wort "Löcher" alle Arten von durch die Schirmelektrode oberhalb der Spitze der Sondenelektrode hindurchgehenden Öffnungen zu verstehen, deren Gesamtfläche, wie vorstehend beschrieben, so gewählt ist, daß der aktive Bereich im wesentlichen konstant gehalten wird.
• Zwar arbeitet die Ausführungsform gemäß Fig. 2 einwandfrei, die Anmelder haben jedoch festgestellt, daß die Verwendung zweier parallelgeschalteter Sondenelektroden bessere Ergebnisse erbringt. Daher wurde der neunschichtige Sondenaufbau gemäß Fig. 4 bis 8 als bevorzugte Ausführungsform unserer Erfindung entwickelt. Fig. 4 und 5 zeigen jeweils die Sondenelektroden 78 und deren koplanare Schirmelektroden 80 in ihrem Ätzzustand sowie die Ausbildung der darüberliegenden Schirmelektroden 82 mit deren Öffnungen 84 und Sondenanschlußflächen 86 in deren Ätzzustand. Auch Löcher können bei dieser Ausführungsform aus den soeben beschriebenen Gründen verwendet werden. Für die Elektroden, die isolierenden Schichten und die von Hand abziehbar aufgebrachten Schichten werden bei dieser Ausführungsform dieselben Materialien verwendet, wie sie für die Ausführungsform gemäß Fig. 2 beschrieben wurden. Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform kann die fertige Sonde, mit Ausnahme der äußeren abziehbaren Schichten, mittels herkömmlicher Laminier- und Fotolackätztechniken hergestellt werden.
• Bei einer praktischen Ausführungsform der Sonde gemäß Fig. 4 bis 8 war die Spitze 88 der Sonde 78 0,583" (1,481 cm) lang und 0,047" (0,119 cm) breit und mittels eines 0,020" (0,508 cm) breiten Leiters an eine konzentrisch zur Anschlußfläche 86 angeordnete Anschlußfläche 92 angeschlossen. Durch die gesamte Dicke der die Sondenelektrode 78 umgebenden Edelstahlschicht war ein 0,020" (0,0508 cm) breiter Materialstreifen weggeätzt, um die Elektrode 78 gegenüber der umgebenden Schirmelektrode 80 zu isolieren. Von einem Punkt unterhalb der oberen Kante 94 aus verliefen die gegenüberliegenden Seiten 96, 98 sich verjüngend einwärts zur unteren Kante 100 hin. Es zeigte sich, daß diese sich verjüngenden Kanten das Einführen der Sonde in den zu messenden Schlitz und die Bewegung der Sonde entlang des Schlitzes während des Meßvorgangs erheblich erleichterten. Die darüber- und darunterliegenden Isolierungsschichten wiesen geometrisch eine ähnliche Form auf, waren aber, wie in Fig. 4 und 5 durch die Ränder 102 angedeutet, an allen Kanten 0,040" (0,102 cm) breiter. Die Öffnungen 84 waren bei dieser selben Ausführungsform etwa 0,563" (1,430 cm) lang und 0,027" (0,686 cm) breit. Die Anschlußflächen 86 wiesen etwa den doppelten Durchmesser auf wie die Anschlußflächen 92 und waren von den umgebenden Schirmelektroden durch einen durch die gesamte Dicke der Edelstahlschicht geätzten Spalt 104 von etwa 0,040" (1,016 cm) Breite getrennt.
• Der Zusammenbau der Sonde gemäß Fig. 4 bis 8 erfolgte ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2. Auf eine mittlere Schicht 106 aus einem isolierenden Kleber der weiter oben beschriebenen Art wurden beiderseits Edelstahlschichten 108, 110 derselben Art auflaminiert, wonach die Edelstahlschichten so geätzt wurden, daß man die in Fig. 4 dargestellte Sondenelektroden-Geometrie erhielt. Da der für die Herstellung der Elektroden verwendete dünne Edelstahl durch ein Walzverfahren erzeugt wird, neigt er dazu, sich bevorzugt zu einer Seite hin zu krümmen - eine Eigenschaft, die auch ein Verbiegen der fertigen Sonde bewirken kann, wenn die Schichten nicht gemäß unserer Erfindung zusammengefügt werden. Neben der vorstehend beschriebenen überlappenden Anordnung der Kanten der einzelnen Sondenelektroden zu den Kanten der Öffnung der Schirmelektrode werden insbesondere die die Sondenelektroden 78 und die Schirmelektroden 80 umfassenden Schichten vorzugsweise so zusammengefügt, daß ihre Krümmungstendenzen entgegengesetzt gerichtet sind und sich damit gegenseitig aufheben. Desgleichen werden auch die darüberliegenden Schirmelektroden 82 entgegensetzt gerichtet, damit sich ihre Krümmungstendenzen gegenseitig aufheben.
• Anschließend wurden weitere Schichten 112, 114 eines isolierenden Klebers und weitere Edelstahlschichten 116, 118 über die so hergestellten Elektrodenausbildungen laminiert, und schließlich wurden die Schichten 116, 118 so geätzt, daß man die in Fig. 5 dargestellten Ausbildungen der Schutzelektrode und der Öffnung erhielt. Nach dem Auflaminieren und Ätzen der anderen Schichten wurden die äußeren Schichten 120, 122 aus von Hand abziehbarem Material nach Bedarf so aufgebracht, daß man die gewünschte Gesamtdicke der Sonde erhielt, und dann entsprechend der Geometrie der laminierten Schichten zugeschnitten, wie dies in Fig. 6 gestrichelt angedeutet ist.
• In Fig. 8 ist zu erkennen, wie die fertige Sonde 10 für den Gebrauch befestigt wird. Ein vorzugsweise aus Messung bestehender Trägerblock 124 ist auf einer flachen Fläche 126 mit einer Reihe, vorzugsweise fünf, Gewindebohrungen 128 versehen. Die mittlere Bohrung 128 ist mit einem elektrisch isolierenden Futter 130 ausgestattet, in dessen Mitte sich eine - nicht dargestellte - elektrisch Leitende Muffe befindet.
• Diese Muffe ist elektrisch mit einem an der Spitze des Trägerblocks befestigten Ausgabeanschluß 132 verbunden. Im Einsatz ist der Anschluß 132 wie in Fig. 1 dargestellt mit dem Messer 24 verbunden, wobei der Trägerblock 124 mit derselben elektrischen Spannung wie die Sonde und die Schirmelektroden beaufschlagt wird. Die Sonde 10 weist eine Reihe, vorzugsweise drei, Bohrungen 134 auf, deren mittlere durch die Anschlußflächen 86 und 92 hindurchgeht, während die äußeren durch die Schirmelektroden 80 und 82 hindurchgehen. Die Anmelder haben festgestellt, daß wegen der Verwendung mehrfacher Anschlüsse für die Sonde 10, d.h. eines für die Sondenelektroden und mindestens eines, vorzugsweise zweier Anschlüsse für die Schirmelektroden, die Positionierung der Sonde am Block 124 sehr viel stabiler und genauer ist als bei Verwendung der herkömmlichen Klemmtechniken.
• Ein wahlweise verwendeter isolierenden Abstandshalter 136, der aus PTFE bestehen kann, weist eine entsprechende Reihe von Bohrungen auf, durch die hindurch leitfähige Schrauben 138 zur Verbindung der Sondenelektroden mit dem Anschluß 132 und der Schirmelektroden mit dem Trägerblick 124 durch die Bohrungen geführt sind. Wenn die Lippe 22 des Schlitzes 12 aus elektrisch leitfähigem Material besteht, muß auf der Kontaktfläche des Blocks 124 eine Schicht 140 aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen werden. Für die Schicht 124 wird wegen der hohen Gleitfähigkeit sowie auch der isolierenden Eigenschaften PTFE bevorzugt. Schließlich wird eine vordere Deckschicht 142, vorzugsweise aus Messing, mittels der übrigen Gewindebohrungen 128 im Block 124 über den Abstandshalter 136 befestigt. Im Einsatz wird die Sonde 10 in den Schlitz oder den Zwischenraum 12 derart eingeführt, daß der Block 124 auf der Lippe 22 aufliegt; dann wird die Einheit für die gewünschten Messungen der Schlitzbreite entlang des Schlitzes bewegt. Durch die ausgeglichene schwere Ausbildung wird Wobbeln und Verklemmen der Sonde im wesentlichen ausgeschaltet.
• Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung der Schichten eines alternativen, robusteren Sondenaufbaus gemäß der Erfindung, der sich insbesondere für breitere Schlitze oder Zwischenräume eignet. Eine mittlere Schicht 144 aus isolierendem Kleber wird beiderseits einer Schicht 146 aus Polyamidmaterial, zum Beispiel Kapton-Folie der E.I. DuPont de Nemours Company of Wilmington, Delaware, auflaminiert. Auf dieses Laminat wird dann beiderseits eine Schicht 148 aus isolierendem Kleber auflaminiert. Dann werden beiderseits Sonden- und Schirmelektrodenschichten 150 der weiter oben beschriebenen Art auflaminiert und geätzt, wonach Schichten 152 aus isolierendem Kleber folgen. Schließlich werden Öffnungs- und Schirmelektrodenschichten 154 auf beide Seiten auflaminiert und geätzt, so daß man die fertige Sonde erhält, auf die dann im Einsatz die von Hand abziehbaren Schichten aufgebracht werden können. Werden Dicke und Steifigkeit der Sonde dadurch erhöht, daß man die Isolierschicht zwischen den beiden Sonderelektroden- und Schirmelektrodenschichten 150 dicker wählt, bleibt der Sonden-Verstärkungsfaktor im wesentlichen unverändert, so daß Änderungen an den Ausgabeschaltungen nicht erforderlich sind.
• Die in vorstehender Weise hergestellten Sonden können mittels bekannter Techniken kalibriert werden. Im wesentlichen müssen für die Kalibrierung zwei oder mehr Schlitze einer Standardbreite vorbereitet werden, in denen die Sonde getestet werden kann. Die Ausgangsspannung der Sonden wird dann gemessen und wie in Fig. 10 dargestellt als Funktion der Schichtbreite aufgetragen. Natürlich ist für den Fachmann ersichtlich, daß diese Daten auch in verschiedenen Formaten in entsprechend programmierten Computern gespeichert werden können. Wenn das Ansprechverhalten der Sonde bekannt ist, wird der Bereich der in Fig. 1 dargestellten Signalverarbeitungseinheit entsprechend eingestellt, womit die Sonde für den Einsatz bereit ist. Im praktischen Einsatz wird die Sonde in den betreffenden Schlitz eingeführt und im Schlitz entlang gezogen, wobei die Ausgangsspannung der Sonde überwacht und abgenommen wird, um daraus ein Diagramm der Spannung als Funktion der Schlitzlänge in der in Fig. 11 dargestellten Weise herzustellen. Wenn die Meßspannung an einem gegebenen Punkt entlang des Schlitzes bekannt ist, läßt sich anhand von Informationen der zum Beispiel in Fig. 10 dargestellten Art leicht die Schlitzbreite an dem betreffenden Punkt ermitteln. Auch hier kann wiederum, wenn dies bevorzugt wird, ein elektronischer Vergleich durchgeführt werden.

Claims (4)

1. Kapazitätssonde (10) zum Messen der Breite eines Schlitzes (12) oder eines anderen Zwischenraums zwischen elektrisch leitfähigen Teilen, mit

mindestens einer dünnen, flachen Sondenelektrode (44; 78) mit einer Vorder- und einer Rückseite,

einer an der Vorderseite fest aufgebrachten ersten Schicht (40; 114) aus dielektrischem Material,

einer an der Rückseite fest aufgebrachten zweiten Schicht (48; 112) aus dielektrischem Material, und

einer dünnen, flachen Schirmelektrode (64; 82), die an der Außenseite einer der beiden Schichten aus dielektrischem Material fest aufgebracht ist und eine Öffnung (56; 84) gegenüber der Sondenelektrode aufweist, die den aktiven Bereich der Sonde bildet,

gekennzeichnet durch

eine erste Gleitschicht (68; 122), die aus einem elektrisch isolierenden, von Hand abziehbaren Material besteht, das an der Außenseite der Schirmelektrode aufgebracht ist, und die mindestens eine Dicke aufweist, die bei Gebrauch in der Sonde eine nominale Gesamtdicke erzeugt, um die Sonde zur genauen Messung der Breite des Schlitzes oder des Zwischenraums optimal zu positionieren,

eine in der Schirmelektrode vorgesehene Vielzahl von Löchern (76), die den aktiven Bereich bilden und gegenüber der Sondenelektrode angeordnet sind, wobei aufgrund des Vorhandenseins der Löcher der Oberflächenbereich der Sondenelektrode größer sein muß, um einen vorgegebenen aktiven Bereich und eine vorbestimmte Empfindlichkeit aufzuweisen, die mit denen einer Sonde ohne solche Löcher vergleichbar sind, wobei der größere Oberflächenbereich es der Sonde ermöglicht, die Breite eines solchen Schlitzes oder Zwischenraums über einen größeren Längen- oder Tiefenbereich, oder beides, des Schlitzes oder Zwischenraums zu messen, als dies mit einer Sonde erreichbar wäre, die nicht über diese Vielzahl an Löchern verfügt, sondern im wesentlichen den gleichen aktiven Bereich und die gleiche Empfindlichkeit hat,

einen elektrisch leitfähigen Trägerblock (124) für die Sonde, der eine im wesentlichen flache Seite (126) zur Befestigung der Sonde besitzt, und

elektrisch leitfähige Befestigungsmittel (72, 74; 138), die an insgesamt mindestens einem Punkt (62; 92; 134) durch die Sondenelektrode hindurch und an insgesamt mindestens einem Punkt (58; 60; 86; 128) durch die Sondenelektrode hindurch die Sonde durchbohren, um die Sonde an der flachen Seite zu befestigen und sie elektrisch daran anzuschließen, wobei ein Abschnitt der Sonde den aktiven Bereich umfaßt, der sich über den Umfang der flachen Seite hinaus erstreckt, um die Einführung des Abschnitts der Sonde in den Schlitz oder den Zwischenraum zu erlauben.

2. Kapazitätssonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine weitere dünne, flache Schirmelektrode (66; 82), die an der Außenfläche der anderen der beiden Schichten aus dielektrischem Material fest aufgebracht ist und gegenüber der Sondenelektrode mindestens eine Öffnung (54) aufweist, die den aktiven Bereich der Sonde bildet, und

eine zweite Gleitschicht (70; 120), die aus einem elektrisch isolierenden, von Hand abziehbaren Material besteht, das an der Außenseite der weiteren Schirmelektrode aufgebracht ist.

3. Kapazitätssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt der Sonde einander gegenüberliegende, sich über die flache Seite (126) hinaus erstreckende Seitenkanten (96, 98) sowie eine untere, sich zwischen den Seitenkanten erstreckende Kante (100) aufweist und daß die Seitenkanten sich zur unteren Kante hin in einer vom Trägerblock weg weisenden Richtung verjüngen und dem Abschnitt der Sonde eine Bewegung in den Schlitz oder den Zwischenraum hinein oder entlang des Schlitzes oder des Zwischenraums erleichtern.

4. Kapazitätssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel eine vielzahl von elektrisch leitfähigen Schrauben (72, 74; 138) aufweisen, die die Sonde durchdringen und in den Trägerblock einschraubbar sind, wobei mindestens eine der Schrauben getrennt jeweils mit der Sondenelektrode bzw. der Schirmelektrode elektrisch in Eingriff gelangt.