DE953745C

DE953745C - Mechanisch-elektrische Laengen-Messeinrichtung

Info

Publication number: DE953745C
Application number: DEM24151A
Authority: DE
Original assignee: MOVOMATIC SA
Current assignee: MOVOMATIC SA
Priority date: 1954-06-09
Filing date: 1954-08-17
Publication date: 1956-12-06

Description

Mechanisch-elektrische Längen-Meß einrichtung Die Erfindung betrifft eine mechanisch-elektronische Längenmeßeinrichtung. Ihre Eigenschaften sollen sie besonders für die genaue Messung von sehr kleinen Verschiebungen eines Tastfühlers aus einer Bezugslage geeignet machen. Dabei sollen Verschiebungen bis hinunter auf O,OOI mm noch genau meßbar sein und kleinere Verschiebungen von beispielsweise 0,00005 mm noch deutlich sichtbar werden.
Damit Längendifferenzen derart geringer Größe mit genügend zuverlässiger Genauigkeit objektiv angezeigt werden können, ist ein sehr großes Übersetzungsverhältnis zwischen den Bewegungen des Tastfühlers, der am Meßobjekt anliegt, und des Zeigers notwendig, der sich auf einer makroskopischen Skala bewegt.
Wenn nun diese Bedingungen in bekannter Weise unter Verwendung rein mechanischer Bewegungen übertragungsorgane erfüllt werden sollen, sind große Übersetzungsverhältnisse notwendig. Abgesehen davon, daß sich in solchen Fällen ein unerwünscht hoher Meßdruck ergibt, unter welchem der Tastfühler dem Meßobj ekt anliegt, verursachen Temperaturänderungen sowie elastische Deformationen der mechanischen Organe, unvermeidliches Lagerspiel und Lagerreibung Fehlerquellen, welche die Anwendung derartiger Geräte für die Messung kleinster Längendifferenzen ungeeignet machen.
Es sind aus diesen Gründen schon mechanischelektronische Längenmeßeinrichtungen gebaut worden, bei welchen die mechanischen Längsverschiebungen des am Meßobjekt anliegenden Tastfühlers in einem Umwandlungsorgan in entsprechende Veränderungen einer elektrischen Größe umgewandelt werden, welche elektrischen Größenveränderungen durch elektronische Organe verstärkt und angezeigt werden. Die wünschenswerte Linearität und Reproduzierbarkeit der Anzeige ist aber bisher noch nicht in befriedigender Weise erreicht worden.
Die Erfindung bezieht sich darum im besonderen auf eine mechanisch-elektronische Längenmeßeinrichtung, die ein Organ zur Umwandlung der mechanischen Bewegungen eines Tastfühlers in Veränderungen einer elektrischen Größe und Mittel zur elektronischen Verstärkung und Anzeige dieser elektrischen Größenveränderungen umfaßt.
Die Erfindung strebt in erster Linie die Erzielung einer hohen Anzeigegenauigkeit, eines hohen Auflösungsvermögens, einer guten Reproduzierbarkeit der Messung, einer großen Ansprechgeschwindigkeit und eines geringen Meßdruckes und Vermeidung von Spiel- und Reibungsstörungen an. Außerdem sollen praktisch keine sich abnützenden Teile zur Einrichtung gehören, die Meßdose kleine Dimensionen annehmen und die Möglichkeit bestehen, Steuerstromkreise in Abhängigkeit vom Meßresultat zu beeinflussen und/ oder das Meßresultat zu registrieren oder auf andere Weise auszuwerten.
Zur mindesten teilweisen Erfüllung dieser Wünsche benutzt man einen Differentialkondensator mit zwei feststehenden Platten und einer gegenüber letzteren bewegbaren, mit einem Fühlstift verbundenen Platte.
Solche Differentialkondensatoren dienen üblicherweise durch Bewegung des Fühlstiftes und durch die so hervorgerufene Verschiebung der beweglichen Platte zur Längenmessung, wobei die Veränderungen in entgegengesetztem Sinne der Einzelkapazitäten zwischen der feststehenden und der beweglichen Platten gemessen werden, während bisher diese Veränderungen mit einer Veränderung des Plattenabstandes oder der Dicke des Dielektrikums verknüpft waren, so daß keine lineare Anzeige dadurch erzielt werden konnte.
Demgegenüber wird erfindungsgemäß die Gesamtkapazität streng proportional mit der zu messenden Länge geändert, da der Abstand in Richtung der Flächennormalen der Kondensatorflächen konstant bleibt. Tatsächlich liegen dafür die beiden festen Platten des Differentialkondensators hintereinander in der gleichen, durch Parallelverschiebung einer Geraden erzeugten geometrischen Fläche, während die bewegbare Platte in einer dieser Fläche mit konstantem Abstand parallel gegenüberstehenden geometrischen Fläche in Richtung der erzeugenden Geraden so verschiebbar ist, daß sich die Summe der die Teilkapazitäten bestimmenden, den festen Platten gegenüberstehenden Flächen der bewegbaren Platte nicht ändert.
Es kann so an der beweglichen Kondensatorbelegung eine Meßwechselspannung entstehen, deren Phasenlage von der Richtung und deren Amplitude von der Größe der mechanischen Verschiebung des Tastfühlers aus einer Bezugslage linear abhängig ist, wobei außerdem ein elektronischer Proportionalverstärker für die Meßwechselspannung und an dessen Ausgang angeordnete Mittel zur ojektiven linearen Anzeige von Größe und Richtung der Tastfühlerverschiebung vorhanden sein können.
Durch die erfindungsgemäß angestrebte und realisierte Linearität der Beziehung zwischen den mechanischen. Bewegungen des Tastfühlers und den Veränderungen der Verstärkerausgangsspannung wird die Genauigkeit der Einrichtung verbessert, und vor allem hinsichtlich der freien Wahl der Tastfühlerbezugslage ergeben sich gegenüber bekannten Einrichtungen wesentliche Vorteile. Außerdem arbeitet eine erfindungsgemãße Meßeinrichtung ohne jegliches Spiel, und ihre Ergebnisse sind immer reproduzierbar.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt Fig. I ein allgemeines Prinzipschema, Fig. 2 das vereinfachte Prinzipschema, Fig. 3 eine graphische Darstellung über den Verlauf der Dosenkapazitäten C, und C2 in Funktion der Fühlerverschiebung a s, Fig. 4 einen Axialschnitt durch eine Meßdose, Fig. 5 das Schaltbild des HF-Generators mit dessen Amplitudenregelungsorganen, Fig. 6 die Eingangsschaltung des Meßverstärkers, Fig. 7 die Endstufe des Meßverstärkers und die Gleichrichterschaltung, Fig. 8 die Relais- und Anzeigeautomatik.
Nach Fig. I umfaßt die Meßeinrichtung als mechanisch-elektrisches Umwandlungsorgan eine Meßdose F, welche die Aufgabe hat, die Axialbewegungen eines Fühlstiftes Wo in dazu proportionale Änderungen einer elektrischen Größe umzuwandeln. Sie stellt im wesentlichen einen Differentialkondensator mit einer beweglichen Belegung und zwei feststehenden Gegenbelegungen dar. Damit dieser Differentialkondensator ein lineares Transformationsorgan bildet, ist er so ausgebildet, daß seine Kapazitätsänderungen durch Veränderungen der sich gegenüberliegenden Belegungsflächen und nicht durch Veränderungen der Luftspaltdicke bewirkt werden. Aus praktischen Gründen ist er als Zylinderkondensator ausgebildet, dessen zwei feststehende, unter sich gleiche äußere Zylinderbelegungen II und I2 symmetrisch zu einer Querebene axial hintereinander angeordnet sind. In der Zentrumsachse ist der Fühlstift F0 verschiebbar gelagert und wird durch eine Vorspannfeder I3 nach außen gedrückt, so daß er sich federnd an die Oberfläche eines zu messenden Objektes 0, beispielsweise. eines Werkstückes, anlegen kann. Der Fühlstift F0 trägt eine zylindrische Kondensatorbelegung 14, die von den beiden feststehenden Belegungen II und I2 durch einen zylindrischen Luftspalt I5 von unveränderlicher radialer Dicke getrennt ist. Diese bewegliche Belegung 14 hat gegenüber den beiden feststehenden Belegungen II bzw. 12 die Teilkapazitäten Cl bzw. C2, die jeden Wert CO haben, wenn sich die feste Belegung in einer symmetrischen Mittelstellung So (s. Fig. 3) zu den beiden äußeren Belegungen befindet.
Verschiebungen i d S der Innenbelegung aus dieser Bezugsstellung SO bewirken lineare Veränderungen der Teilkapazitäten C, und C nach folgenden Formeln: C1 = Co i kS, (ra) C2 = Co T KBS, (Ib) wobei k ein konstanter Empfindiichkeitsfaktor ist.
Diese Formeln gelten über den ganzen Meßbereich von 5?fla2 bis +A S,,,.
Die Summe C, t C2 hat also dauernd den konstanten Wert 2 CO, und die Differenz C1 - C2 hat den Wert 2kSs Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Kapazitäten C,, C2 in Funktion der Fühlerverschiebung dS aus der Mittellage So.
Es sind nun gemäß Fig. I Mittel vorhanden, um die beiden feststehenden Belegungen 11 und I2 symmetrisch zu einer Bezugsleitung (Erde) unveränderlichen Potentials mit einer hochfrequenten Wechselspannung I( zeitlich konstanter Amplitude zu speisen und die Meßwechselspannung zum zwischen der beweglichen Belegung 14 und der Bezugsleitung (Erde) elektronisch zu verstärken und an einem Anzeigeinstrument I anzuzeigen.
Es läßt sich errechnen, daß unter dieser Voraussetzung die Meßwechselspannung Um in Funktion der Fühlerverschiebung zI 5 aus der Mittelstellung folgenden Wert annimmt: In dieser Formel ist mit C1 die Kapazität, welche die Meßdose belastet, bezeichnet, die hauptsächlich durch die Kapazität des Kabels bestimmt ist, über welches die Meßwechselspannung ZX, zum Eingang des Verstärkers V geführt wird. Fig. 2 zeigt dabei die prinzipielle Wirkung der Meßeinrichtung in einfachster Darstellungsweise. Es ist in dieser Fig. 2 ein Hochfrequenzgenerator B gezeichnet, der über einen Symmetrierungsübertrager 51 die Meßdose F mit den gegenphasigen Wechselspannungen i 11 speist. Die Meßdose F ist in dieser Figur schematisch dargestellt, indem nur die beiden nach den Formeln (I) veränderlichen Teilkapazitäten C1 und C2 eingezeichnet sind.
Die im Verstärker V linear verstärkte Meßwechselspannung lI*» wird im Gleichrichter G, der vom Oszillator B aus phasengesteuert ist, phasenabhängig gleichgerichtet, so daß am Instrument I die Verschiebung des Fühlers aus seiner Mittellage mit dem richtigen Vorzeichen objektiv ablesbar ist. Mit CL. ist die Belastungskapazität der Meßdose F bezeichnet. Damit die Einrichtung gemäß Formel (2) nur von der Fühlerverschiebungd S abhängt, müssen die Amplitude der Speisewechselspannung 11 und die Größe Ck zeitlich konstant sein.
Die erste Bedingung läßt sich durch eine geeignete Stabilisation der Oszillatorspannung US erreichen. Die zweite Bedingung wird dadurch schon angenähert erfüllt, daß ein bestimmtes Übertragungskabel bekannter Kapazität C1 immer verwendet wird. Die kleinen Kapazitätsveränderungen des Kabels infolge Temperaturveränderungen und mechanischer Einflüsse auf das Kabel lassen sich durch eine geeignete Spannungsgegenkopplung des Verstärkers V, beispielsweise mittels einer Gegenkopplungskapazität C,, unwirksam machen. Die Schaltung ist so vorgesehen, daß eine Änderung der Kabelkapazität eine entsprechende Änderung der Gegenkopplungsstärke zur Folge hat, so daß die durch die Kapazitätsänderung hervorgerufene Änderung der Meßwechselspannung wieder zum Teil kompensiert wird. Die Genauigkeit der Kompensation kann im Prinzip mit beliebiger Verstärkung beliebig groß gemacht werden. Für die rechnerischen Beziehungen ergibt sich folgendes: wobei A der Verstärkungsfaktor des Verstärkers V ohne Gegenkopplung und ist. Nur in diesem Faktor ß ist die veränderbare Kabelkapazität Ck enthalten. Mit zunehmender Größe des Gegenkopplungsfaktors Aft verringern sich gemäß Formel (3) die schädlichen Einflüsse der Veränderungen der KabelkapazitätC,, außerdem der speziellen Verstärkerröhrenveränderungen und der Speisespannungsschwankungen. Im gleichen Verhältnis werden die durch den Verstärker verursachten Verzerrungen und Phasenverschiebungen vermindert.
In bezug auf die Fig. I und 5 wird im folgenden auch die Amplitudenstabilisierung der Hochfrequenzspannung beschrieben.
Gemäß Fig. I umfaßt die Einrichtung einen Netzgleichrichter A bekannter Bauart, der aus der Netzwechselspannung eine dazu proportionale Speisegleichspannung U für die Elektronenröhren der verschiedenen Teilgeräte erzeugt. Der Oszillator B wird mit Hilfe eines Vergleichers D zurückgeregelt. Ohne den Regeleinfluß dieses Vergleichers D würde der Oszillator eine HF-Wechselspannung von zu hoher Amplitude erzeugen. Diese wird im Vergleicher mit einer durch den Gleichstromstabilisator H in an sich bekannter Weise besonders gut stabilisierten Bezugsgleichspannung Ü verglichen. Aus dem Vergleicher D wird eine negative Gittervorspannung - Ur zum Oszillator B zurückgeführt, der die Amplitude der Oszillatorspannung so weit zurückregelt, daß ihre Größe beliebig genau der Größe der zeitlich unveränderlichen Bezugsspannung U gleich wird.
In Fig. 5 ist das Schaltschema des Oszillators und des Vergleichers D im einzelnen dargestellt. Mit 50 ist die Oszillatortriode und mit 5I der Ausgangsübertrager bezeichnet. Der frequenzbestimmende Schwingkreis trägt das Bezugszeichen 52. Das Rückkopplungsverhältnis ergibt sich aus dem gegenseitigen Verhältnis der Widerstände 53.
Ein bewährtes Ausführungsbeispiel arbeitet mit einer Oszillatorfrequenz von 60 kHz, welche die Erreichung einer kleinen Eingangsimpedanz am Verstärkereingang von klein dimensionierten Schaltelementen, kleinen Zeitkonstanten und großer Verstärkungsfaktoren bei Vermeidung von unerwünschten Kopplungserscheinungen ermöglicht. Die Ausgangswechselspannung 1JU des Oszillators B gegen Erde wird in der Diode 54 mit der Bezugsgleichspannung U verglichen, indem die Kathode dieser Diode über eine Wicklung des Übertragers 55 in der Sperrichtung durch die Normal- spannung Ü vorgespannt ist. Solange die Amplitude der Oszillatorspannung 1t etwas größer ist als die Normalspannung U, erscheinen am Übertrager 55 Impulse, welche die abgeschnittenen Spitzenimpulse der Oszillatorspannung darstellen. Die Impulse am Übertrager 55 werden durch die Verstärkertriode 56 verstärkt und durch die Gleichrichter 57 gleichgerichtat, so daß am Kondensator 58 eine negative Regelvorspannung - Ur entsteht, die dem Steuergitter der Oszillatorröhre 50 zugeführt wird. Um die Beeinflussung der Regelvorspannung - Ur durch infolge Kopplungserscheinungen über schädliche Kapazitäten sonst unvermeidliche Anteile an oszillatorfrequenter Spannung zu vermindern, ist der Übertrager 55 auf eine Harmonische der Oszillatorfrequenz abgestimmt. Unter diesen Umständen wird die Amplitude der Ausgangsspannung 11 des Oszillators B auf einen zeitlich konstanten Wert geregelt, welcher der Bezugsspannung U entspricht.
Der Ausgangsübertrager 51 des Oszillators weist gemäß Fig. 5 zusätzliche Abgriffsklemmen auf, die es möglich machen, eine kleinere Ausgangswechselspannung t zur Speisung der Meßdose F auszunützen, wodurch der Meßbereich der Einrichtung entsprechend vergrößert wird.
Unter Hinweis auf die Fig. I, 2 und 6 werden im folgenden der Verstärker V und seine Eingangsschaltung genauer erläutert. Durch entsprechende Einstellung des Umschalters 60 (Fig. 6) wird den festen Belegungen II, 12 der Meßdose F entweder die größere oder die kleinere der Speisespannungen U oder lt, symmetrisch zugeführt. Die Meßwechselspannung Um am Ausgang der Meßdose hat nach Formel (2) den II 2kjS Wert 2C2+Cs undwirddemEingangdesVerstärkersV mit den drei Stufen V,, Vs, V2 zugeführt. An diesen Eingang wird auch, wie schon erwähnt, über den einstellbaren Kondensator C, eine Gegenkopplungsspannung zurückgeführt. Durch die Veränderungen der einstellbaren Kapazität C, kann der Verstärkungsfaktor innerhalb enger Grenzen verändert werden.
DieAusgangswechselspannung U,*; des Verstärkers V wird in einem GleichrichterG in eine Gleichspannung U,» umgewandelt, die am Drehspulinstrument I angezeigt wird. Der Gleichrichter G ist durch eine Hilfswechselspannung u der Oszillatorfrequenz phasengesteuert, so daß er nur dann die Wechselspannung U,* in eine Gleichspannung proportionaler Größe umwandelt, wenn diese Wechselspannung U, in bezug auf die Hilfswechselspannung TE eine bestimmte Phasenlage hat, z. B. gleichphasig ist.
Wenn also die Wechselspannung ,*" am Ausgang des Verstärkers den Wert o hat, steht der Zeiger des Drehspulinstrumentes I in seiner natürlichen Nulllage o, und mit ansteigender Wechselspannung 1t*,; dreht er sich aus dieser natürlichen Nullage heraus, sofern die vorbestimmte Phasenbeziehung zwischen den Spannungen ll und U,* vorhanden ist. Damit nun auch Verschiebungen des Meßdosenfühlers F0 gemessen werden können, die eine solche Phasenlage der Spannung U,*,, bewirken würden, welche vom Gleichrichter G nicht gleichgerichtet wird, kann dem Verstärkereingang über den einstellbaren Kondensator 6I eine Hilfswechselspannung Utp zugeführt werden. Sie wird durch entsprechende Einstellung des Kondensators 6r so groß gemacht, daß in der symmetrischen Mittelstellung des Fühlers F, d. h. dann, wenn die Meßwechselspannung Um den Wert o hat, der Zeiger des Instrumentes I eine künstliche Nullage o einnimmt, aus der er bei Verschiebungen - S des Fühlers in der einen Richtung auf die eine Seite und bei Fühlerverschiebungen + +/IS 5 in der anderen Richtung auf die andere Seite ausschwenkt. Damit ist es möglich, die Skala des Instrumentes in Verschiebungen + +ZIS 5 aus der Mittellage des Fühlers zu eichen, wie in Fig. 6 angedeutet ist.
Wenn Verschiebungen iIS 5 in der Größenordnung von einigen ,u zu messen sind, ist es schwierig, die Meßdose F - mit mechanischen Mitteln genau in eine gewünschte Bezugslage einzustellen. Zwecks Vermeidung dieser Schwierigkeit ist im elektrischen Teil der Einrichtung ein Differentialkondensator 62 eingebaut, der in seiner Funktionsweise derjenigen der Meßdose F ähnlich ist. Seine festen Belegungen werden durch die Spannungen i lt symmetrisch zur Erde gespeist, und durch Drehen am Drehknopf 63 kann an den Eingang des Verstärkers V, eine Kompensationsspannung 1t, wählbarer Phasenlage und wählbarer Amplitude geführt werden. Wenn also der Meßdosenfühler an einem Vergleichsobj ekt anliegt und diese Lage als Bezugslage des Fühlers gelten soll, kann durch Drehen am Drehknopf 63 der Instrumentenzeiger in die künstliche Nullstellung o seiner Skala verstellt werden. Wenn dann das Vergleichsobjekt ohne Veränderung der Meßdosenlage durch das Meßobjekt ersetzt wird, so zeigt die Stellung des Zeigers auf der Instrumentenskala die Dimensionsabweichungen i iI 5 des Meßobjektes vom Vergleichsobjekt an.
In Fig. 7 ist die Endstufe V3 des Verstärkers V und der Gleichrichter G dargestellt. Diese Endstufe V2 und auch die Vorstufen V, und V2 sind in an sich bekannter Weise einzeln gegengekoppelt. Die Schaltung, welche als partielle Kathodenfolgerschaltung bezeichnet werden kann, ist gekennzeichnet dadurch, daß das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und rückgeführter Spannung nur durch das Übersetzungsverhältnis eines Ubertragers bestimmt ist. Durch zureichende Dimensionierung von A kann erreicht werden, daß die resultierende Verstärkung mit beliebiger Genauigkeit durch ein Windungszahlverhältnis und nur durch dieses definiert ist. Der entsprechende Übertrager der Endstufe ist in Fig. 7 mit 7I und die Endröhre ist mit 70 bezeichnet. Der beschriebene Verstärker ist in der Lage, die ihm zugeführte Eingangsspannung unabhängig von Veränderungen der Speisespannung der Heizspannungen den spezifischen Röhreneigenschaften mit der gewünschten Genauigkeit linear, phasengetreu und mit konstantem Verstärkungsfaktor zu verstärken.
Die Ausgangsspannung 8,* des Verstärkers V2 liegt über einen Widerstand 79 an der Anode einer Gleichrichtertriode 72, in deren Kathodenkreis die RC-Glieder 74 und 73 geschaltet sind. Im Steuergitterkreis der Gleichrichtertriode 72 ist zwischen dem Seriewiderstand 75 und den Glättungskondensator 76 der Schwingkreis 52 des Oszillators B eingeschaltet, wodurch das Gitter der Gleichrichterröhre 72 im Takte der Oszillatorfrequenz abwechslungsweise positiv und negativ vorgespannt wird. Die Anoden-Kathoden-Strecke der Triode 72 ist also leitend, solange sowohl die Gitterspannung als auch die Anodenspannung der Triode 72 positiv sind. Der gleichgerichtete Strom i fließt über die Widerstände der Glieder 74 und 73 sowie über das Anzeigeinstrumentl zur Erde. DerSpannungspegel und die Widerstände 79 und 74 sind so gewählt, daß das Verhältnis zwischen Signalwechselspannung und Gleichspannung U1* mit der gewünschten Annäherung nur vom Verhältnis dieser Widerstände abhängig ist, also unabhängig vom Durchlaßwiderstand der Anoden-Kathoden-Strecke der Triode. Die beiden Trioden 72 und 70 bilden eine Doppeltriode, so daß am Widerstand 73 eine Spannung gewonnen wird zur Kompensation der kleinen Änderungen der Anlaufspannung der Gleichrichtertriode 72.
Auch die amplitudenkonstante Gitterwechselspannung tt der Triode 72 wird in deren Gitter-Kathoden-Strecke gleichgerichtet, und es entsteht am Kondensator 76 eine zeitlich konstante Gleichspannung U7G, die umgekehrt polarisiert ist als die gleichgerichtete Meßspannung U7*,. An zwei Potentiometern 77 und 78 wird die Spannung Ul; nach freier Wahl unterteilt, so daß durch Addition der betreffenden Teilspannungen mit der Spannung U,*" zwei Spannungen Eri = -n1 U, + U>» und Er2 = 2 Uk + U9*t gewonnen werden.
Die Faktoren n, und n2 sind dabei unabhängig voneinander im Bereich o bis I stufenlos veränderbar. Die Spannungen Eri und Er2 werden also positiv, wenn die gleichgerichtete Meßspannung U,*, größer wird als n U7 In Fig. I ist für die Erzeugung der beiden Spannungen Eri und Er2 je ein besonderer Gleichrichter G, bzw. G2 eingezeichnet, während gemäß Fig. 7 die Gleichrichter G, G1 und G2 von Fig. I durch die einzige Gleichrichteranordnung G mit einer einzigen Röhre 72 realisiert werden.
Gemäß Fig. I dienen die Spannungen Eri und Er2 zur Speisung von je einem Relais R, bzw. R2. Dabei ist angenommen, daß die beiden Relais R, und R2 dann ansprechen, wenn die Spannungen Eri bzw. Er2 positiv werden. Sie schalten dann ihre Schaltkontakte r1 bzw. r2 aus der gezeichneten Stellung um. Auf diese Weise werden zwei automatische Steuerkriterien gewonnen.
Gemäß Fig. I ist vorgesehen, daß ein Werkstück O mit Hilfe einer Schleifscheibe S, die von irgendeinem Motor aus angetrieben wird, abgeschliffen werden soll.
Der Fühler F0 der Meßdose F liegt stets an der Oberfläche des Werkstückes O an.
Die Vorschubgeschwindigkeit der Schleifscheibe 5 hänge z. B. von der Drehzahl des Motors M ab, indem dieser Motor über einen Zahnstangenvorschubmechanismus Z die Schleifscheibe S in Pfeilrichtung vorschiebe. Nach Fig. 1 ist angenommen, daß dem Skalenstrich ho des Anzeigeinstrumentes I das Niveau ho des Werkstückes 0, dem Skalenstrich h, das Niveau h, und dem Skalenstrich h2 das Niveau h2 entspricht, wobei h2 das zu erreichende Endniveau sei. Die Abschleifgeschwindigkeit soll bei Erreichung des Niveaus h, durch Verminderung der Verschubgeschwindigkeit herabgesetzt werden, und auf dem Niveau h9 soll der Motor M abgeschaltet werden, damit das Werkstück automatisch nur bis zum gewünschten Niveau abgeschliffen wird.
Es wird nun am Potentiometer 77 die Abgriffspannung so eingestellt, daß das Relais R, anspricht, wenn der Zeiger des Instruments I die Stellung erreicht, und die Abgriffspannung am Potentiometer78 wird so eingestellt, daß das Relais R2 anspricht, wenn der Instrumentenzeiger die Stellung Tt erreicht. Vom Niveau an wird also durch den Relaiskontakt r1 dem Vorschubmotor M z. B. der Widerstand m vorgeschaltet, so daß die Abschleifgeschwindigkeit reduziert wird. Mit Erreichung des Niveaus h2 wird der MotorM durch den Relaiskontakt r2 ganz ausgeschaltet, so daß automatisch der Abschleifvorgang bei Erreichung des vorgesehenen Niveaus unterbrochen wird.
Gemäß Fig. 8 ist die Relaisschaltung etwas genauer dargestellt. Die Gleichspannungen Eri und Er2 liegen an den Steuergittern der Trioden 8I bzw. 82.
Die polarisierten Relais R, und R2 haben je zwei Wicklungen, von denen je die eine im Anodenkreis der ihnen zugeordneten Steuertriode liegt. Die zweiten Wicklungen werden von einem Strom durchflossen, welcher bewirkt, daß die Schaltkontakte der Relais in der gezeichneten Ruhelage verharren, solange der Strom in der betreffenden ersten Wicklung einen gewissen Minimalwert nicht überschreitet. Wenn infolge Positivwerdens einer der Gitterspannungen Eri bzw.
Er2 der Anodenkreis der betreffenden Steuertrioden stromführend wird, wird das betreffende Relais erregt und schaltet seinen Schaltkontakt r1 bzw. r2 um. Der bewegliche Schaltkontakt r, ist an den einen Pol einer Wechselspannungsquelle~, beispielsweise eine Hilfswicldung des Netztrafos angeschlossen, und der Schaltkontakt r2 ist an den andern Pol (Erde) dieser Spannungsquelle angeschlossen.
Es sind drei verschiedenfarbige Anzeigelampen L0, L, und L2 vorhanden. In der gezeichneten Stellung der Kontakte r, und r2, also solange weder das erste noch das zweite der Relais R, und R2 angesprochen haben, ist die Lampe L0 in den Stromkreis der Wechselspannungsquelle N eingeschaltet und zeigt durch ihr Leuchten an, daß die Meßspannung U,* kleiner ist als ein Minimalwert, der durch die Einstellung des Potentiometers 77 bestimmt worden ist. Wenn die Meßspannung U,*1 diesen Minimalwert überschreitet, spricht das Relais R,an, und es leuchtet die LampeL,.
Wenn der Meßwert U7, einen durch die Einstellung des Potentiometers 78 bestimmten Maximalwert überschreitet, wird das Relais R2 erregt, und es leuchtet die Lampe2. Die Lampe L, zeigt also durch ihr Leuchten an, daß die Meßgleichspannung U,* größer als der genannte Minimalwert, aber kleiner als der genannte Maximalwert ist, während das Aufleuchten der Lampe L2 anzeigt, daß die Meßgröße U,* den genannten Maximalwert überschritten hat. Den Lampen L0 und L, sind Steuerrelais Ro bzw. R, seriegeschaltet, durch deren Kontaktstellen rO und r, gewisse Steuerfunktionen, ähnlich wie in bezug auf Fig. I beschrieben, automatisch ausgelöst werden.
Die in Fig. 4 im Axialschnitt dargestellte Meßdose F bildet ein vorteilhaftes Organ zur Umwandlung der Verschiebebewegungen des Tastfühlers F0 in Veränderungen von elektrischen Kapazitäten und damit zur Erzeugung einer Meßwechselspannung, deren Phasenlage der Richtung der Fühlerauslenkung d S aus der Bezugslage entspricht und deren Amplitude dem Betrag dieser Auslenkung proportional ist.
Im Oberteil des Meßdosengehäuses I00 sind drei Isolierbüchsen 101 und in diesen drei Steckkontaktbüchsen 102 zum Anschließen eines dreiadrigen Kabels eingesetzt. Diese Teile werden durch eine Spannplatte 103 aus Isoliermaterial gehalten, welche mit Hilfe einer Spannschraube 104 in einem Mittelteil des Dosengehäuses I00 festgeschraubt ist. Dem inneren Ende der Spannschraube 104 liegt der Kopf 105 des Tastfühlerbolzens Fo gegenüber, der im übrigen in Ansicht gezeichnet ist. Eine zwischen der Schraube 104 und dem Fühlerkopf 105 eingelegte Schraubenfeder I3 ist bestrebt, den Fühlerbolzen F0 gegen die Oberfläche eines Meßobj ektes O zu drücken, wobei der Federdruck durch Auswechslung der Feder und mehr oder weniger weites Einschrauben der Schraube 104 auf einen gewünschten Anpreßdruck von z. B. 20 g gebracht werden kann, Der Schaft des Fühlerbolzens steckt in einer Isolierhülse 107, und die Innenwandung des Gehäuses 100 ist mit einer der Hülse 107 gegenüberstehenden Isolierbüchse 1 o8 ausgekleidet.
Zwischen einem obersten Spannringpaar 109, 110 und einem darunterliegenden Spannrmgpaar III, II2 ist eine obere Zentrierspinne 113 für den Fühlerbolzen F0 eingeklemmt. In an sich bekannter Weise wird diese Zentrierspinne 113 durch eine geschlitzte Federstahhnembran gebildet, welche keine Radialbewegungen des von ihr zentrierten Fühlers F0 zuläßt, während sie durch Axialbewegungen dieses Fühlers nur auf innere Biegung elastisch beansprucht wird und solche Axialbewegungen deshalb reibungsfrei zuläßt.
Unterhalb des inneren Spannringes III ist zwischen zwei Isolierringen 114, II4' ein teilweise im Schnitt und teilweise in Ansicht gezeichneter Metallzylinder 14 gezeichnet, welcher die zylindrische, mit dem Fühler starr verbundene Innenbelegung des Meßdosendifferentialkondensators bildet. Die beiden äußeren Belegungen II und 12 dieses Zylinderkondensators werden durch zwei zylindrische Metallringe gebildet, die voneinander durch einen Isolierring 115 und von den benachbarten Spannringen 112 und 112' durch Isolierringe II6 bzw. II6' elektrisch getrennt sind. Unter dem Isolierring rr6' liegt ein Spannring II2, dessen untere Stirnfläche mit der unteren Stirnfläche eines inneren Spannringes III', der am Isolierring II4' anliegt, in einer Querebene, in welcher eine zweite Zentrierspinne II3' für den Bolzen F0 liegt, die gleich ausgebildet ist wie die obere Zentrierspinne 113. Darunter liegen die Spannringe 109' bzw. In0'.
Zwischen einer inneren Spannmutter II7, die auf einen Gewindeteil II8 des Tastbolzens F0 aufgeschraubt ist, und dem unteren inneren Spannring 109' ist der innere Rand einer Dichtungsmembran 119 eingeklemmt, und zugleich preßt die Mutter II7 alle auf dem Schaft des Bolzens F0 aufgeschobene Teile 109, 113, III, 114, 14, 114', III, II3', 109 und 119 gegen den Kopf 105 des Tastfühlerbolzens, so daß diese Teile eine mechanische Einheit bilden.
Zwischen einer äußeren Spannmutter I20, die in einen Innengewindeteil 121 des Gehäuses 100 eingeschraubt ist, und dem unteren äußeren Spannring II0' ist der äußere Rand der erwähnten Dichtungsmembran 119 eingeklemmt, und zugleich preßt die Spannmutter die äußeren Ringorgane IIO,II3,II2,II6,II, II5 Iz, II6', II31, IIo' und 119 zu einer festen mechanischen Einheit mit dem Meßdosengehäuse 100 zusammen. Mit Hilfe von Schrauben 122 ist auf die äußere Spannmutter 120 eine Abdeckplatte I23 aufgeschraubt, aus deren Zentrumsloch I24 der Tastfühlerbolzen F0 herausragt.
Die Außenbelegungen 11 bzw. 12 sind durch Leitungsadern 125 bzw. I25' mit zwei der Kabelanschlußbüchsen 102 elektrisch verbunden, während die dritte Kabelanschlußbüchse 102 durch eine Leitungsader I26, die einen federnden Zwischenteil I27 enthält, elektrisch mit der Innenbelegung 14 verbunden ist.
Es ist vorgesehen, daß die drei Kabelanschlußbüchsen 102 durch ein dreiadriges, nicht gezeichnetes, elektrisches Verbindungskabel mit dem Ausgangstransformer 5I des Speisegenerators B bzw. mit dem Eingang des Verstärkers V verbunden sind, wobei die drei Adern je einen koaxialen Abschirmmantel aufweisen. Die Kapazität Ck der dritten Kabelader gegenüber der geerdeten Abschirmung ist einigermaßen konstant, und die kleinen Veränderungen dieser Kapazität werden durch die Gegenkopplung des Verstärkers V unschädlich gemacht.
Die beschriebene Meßdose F verwirklicht in praktisch idealer Weise die Forderungen an den Kapazitätsverlauf der beiden Teilkapazitäten C, und C2, wie sie gemäß Fig. 3 vorausgesetzt worden sind. Die Zentrierspinnen 113 und II3' sichern eine spiel- und reibungsfreie Axialzentrierung des beweglichen Tastfühlers F0, während die Dichtungsmembran 119 das Eindringen von Feuchtigkeit und Verunreinigungen in das Innere der Meßdose verhindert.
Das Meßdosengehäuse ist dazu bestimmt, an einem Stativ so befestigt zu werden, daß das herausragende Ende des Tastfühlers F0 auf einem wählbaren Niveau an ein Meßobjekt O angepreßt wird.
Die durch das genannte Kabel mit der Meßdose elektrisch verbundenen übrigen Teile der Meßeinrichtung sind zweckmäßigerweise in einem besonderen Gehäuse eingebaut, das an geeigneter Stelle aufstellbar ist.
Die beschriebene mechanisch-elektronische Längenmeßeinrichtung erfüllt alle eingangs erwähnten Forderungen und hat sich praktisch bewährt.

Claims

PA TENTANSPRSCHE: I. Einrichtung zur Messung von Längen durch einen mit einer bewegbaren und gegenüber zwei feststehenden Platten verschiebbaren Platte starr verbundenen Fühlstift, wobei die bewegbare Platte zusammen mit den beiden festen Platten einen Differentialkondensator bilden, dessen beide Einzelkapazitäten sich bei einer Verschiebung der bewegbaren Platte in zueinander entgegengesetztem Sinne verändern, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden festen Platten des Differentialkondensators hintereinander in der gleichen, durchParallelverschiebung einer Geraden erzeugten geometrischen Fläche liegen, während die bewegbare Platte in einer dieser Fläche mit konstantem Abstand parallel gegenüberstehenden geometrischen Fläche in Richtung der erzeugenden Geraden so verschiebbar ist, daß sich die Summe der die Teilkapazitäten bestimmenden, den festen Platten gegenüberstehenden Flächen der bewegbaren Platte nicht ändert.
2. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Kondensatoren die Form eines Zylinderkondensators mit zwei koaxialen Außenplatten (II,I2) gleichen Durchmessers haben, die voneinander isoliert mit kurzem Abstand hintereinander angeordnet sind und in denen sich eine gemeinsame koaxiale Innenplatte (I4) unter der Einwirkung des Fühlstiftes (Fo) in axialer Richtung derart verschiebt, daß die an den beiden Kondensatoren, die einerseits durch die beiden festen Außenplatten und andererseits durch die Flächen der diesen in einem gegebenen Augenblick gegenüberstehenden beweglichen Innenplatte gebildet werden, liegenden Wechselspannungen sich zueinander entgegengesetzt, aber linear mit der Verschiebung des Fühlstiftes verändern.
3. Einrichtung nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in bezug auf die Platten (11, I2, I4) der Kondensatoren zweckmäßigerweise zentrisch liegende Fühlstift (Fo) der Einwirkung einer Vorspannfeder (I3) unterliegt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialzylinderkondensator in einem Meßdosengehäuse (I00) eingebaut ist und der aus dem Meßdosengehäuse herausragende Tastfühler (Fo) durch zwei als Federstahlmembranen ausgebildete Zentrierspinnen (II3, II3') zentriert ist und gegen die Kraft einer Vorspannfeder (I3) in axialer Richtung zurückschiebbar ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichtungsmembran (II9) das Eindringen von Feuchtigkeit und Verunreinigungen in das innere der Meßdose verhindert.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdose drei Kabelanschlußbuchsen (I02) für ein Kabel mit drei abgeschirmten Adern aufweist, von denen zwei zur Verbindung der beiden festen Belegungen (11, in) mit einer zu einer Bezugsleitung symmetrischen Wechselspannungsquelle (B) bestimmt ist und die dritte zur Übertragung der Spannung (Um) der beweglichen Innenbelegung (I4) gegenüber der Bezugsleitung an den Verstärkereingang bestimmt ist.
7. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den beiden feststehenden Kondensatorbelegungen (11, in) verbundene Wechselspannungsgenerator (B) am Ausgang Mittel zur symmetrischen Speisung der feststehenden Kondensatorbelegungen gegenüber einer an einem unveränderbaren Potential liegenden Bezugsleitung mit gegenphasigen Wechselspannungen (i ) vorbestimmter und zeitlich konstanter Amplitude aufweist.
8. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswicklung eines Symmetrieübertragers (5I) mehr als ein Paar von bezugspunktsymmetrischen Anschlußklemmen aufweist und daß durch Wahl der Einstellung eines Meßbereichumschalters (60) wahlweise eine höhere oder niedrigere Wechselspannung an die festen Kondensatorbelegungen anlegbar ist.
9. Einrichtung nach Anspruch I mit Mitteln (H) zur Erzeugung einer von Netzspannungsschwankungen unabhängigen, zeitlich konstanten positiven Bezugsgleichspannung (U), dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsgenerator (B) an sich derart ausgelegt ist, daß die Amplitude der erzeugten Wechselspannung (lot) größer ist als die Bezugsgleichspannung und daß ein Vergleicher (D) mit einer Diode (54) vorhanden ist, die über einen Impulsübertrager (55) durch die Bezugsgleichspannung in Sperrichtung vorgespannt ist und an den Ausgangsübertrager des Generators angeschlossen ist, ferner gekennzeichnet durch Verstärker- (V) und Gleichrichterorgane (G) zur Umwandlung der am Impulsübertrager (55) auftretenden abgeschnittenen Spitzen der Generatorwechselspannung in eine negative Vorspannung (Ur) zur Rückwärtsregelung der Generatorwechselspannungsamplitude auf den Wert der Bezugsgleichspannung.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsübertrager (54) auf eine Harmonische der Generatorfrequenz abgestimmt ist.
II. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen mehrstufigen Elektronenröhrenverstärker (V) mit Mitteln zur Spannungskopplung an den Verstärkereingang, welcher Verstärker die Eingangswechselspannung praktisch unabhängig von Veränderungen der Zuleitungskapazität (Ck) linear und phasengetreu und mit konstantem Verstärkungsfaktor verstärkt.
I2. Einrichtung nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Verstärkerstufen partielle Kathodenfolger sind, deren Verstärkungsfaktoren praktisch nur von den Windungszahlverhältnissen der Übertragerwicklungen abhängig sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 6 und 12, gekennzeichnet durch Mittel zur additiven Zufügung mindestens einer zusätzlichen generatorfrequenten Wechselspannung wählbarer Amplitude zur Meßwechselspannung am Verstärkereingang.
14. Einrichtung nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel einen Differentialkondensator (62) umfassen, dessen feste Belegungen elektrisch mit den bezugspunktsymmetrischen Ausgangsklemmen des Wechselspannungsgenerators (B) verbunden sind.
15. Einrichtung nach Anspruch I3, gekennzeichnet durch einen phasenabhängig arbeitenden Gleichrichter (G) am Ausgang des Verstärkers (V), der dazu bestimmt ist, die Ausgangswechselspan- nung (in,*,,) des Verstärkers in eine Meßgleichspannung (U,n) umzuwandeln.
I6. Einrichtung nach Anspruch I5, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung einer zeitlich konstanten Bezugsgleichspannung (Uk), durch zwei unabhängig voneinander frei einstellbare Spannungsteiler (77,78) für diese Bezugsgleichspannung, durch Mittel zur Gewinnung von zwei Steuerspannungen (Er1 und Er2) durch Addition der Meßgleichspannung (U7n) mit jeder der Spannungsteilerabgriffspannungen sowie durch zwei je beim Nulldurchgang der zugeordneten Steuerspannung automatisch umschaltende Steuerrelaisanordnungen (Rl, R2).
17. Einrichtung nach Anspruch I6, gekennzeichnet durch eineTriode (72), deren Anoden-Kathoden-Strecke zur phasengesteuerten Gleichrichtung der verstärkten Meßwechselspannung (1!2,) dient, während derenGitter-Kathoden-Strecke zur Phasensteuerung der Anodenstrecke und zur Erzeugung der Bezugsgleichspannung dient.
I8. Einrichtung nach Anspruch I7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode der Triode (72) über einen Serienwiderstand (79) an die eine Klemme des Ausgangsübertragers (71) der Verstärkers (V) angeschlossen ist, während deren Kathode über eine Widerstandskapazitätsparallelanordnung (74) an die andere Klemme des Verstärkerausgangsübertragers (71) angeschlossen ist und ihr Steuergitter über einen Serienwiderstand (75) mit dem einen Pol einer Generatorausgangswicklung (52) verbunden ist, deren anderer Pol über einen Kondensator (76) und mindestens einen demselben parallel geschalteten Widerstand mit der Kathode der genannten Gleichrichtertriode verbunden ist, so daß am genannten Kondensator (76) eine konstante Bezugsgleichspannung (Uk) entsteht.
19. Einrichtung nach Anspruch I8, dadurch gekennzeichnet, daß die Summen (Er1, Er 2) der Meßgleichspannung (U*») an der Widerstandskapazitätsparallelschaltung (74) und je einer Teilspannung der Bezugsgleichspannung (Uk) die Gittervorspannungen von zwei Steuerröhren für zwei Steuerrelais (R1, R2) bilden, derart, daß diese Steuerrelais beim Nulldurchgang der betreffenden Gittervorspannung ihre Kontakte (r,, 2) umschalten.
20. Einrichtung nach Anspruch I9, gekennzeichnet durch drei Anzeigelampen (L,, Ll, L2) verschiedener Farben, die unter Beeinflussung der Steuerrelais (R,, R2) durch ihr Leuchten anzeigen, ob die Meßgleichspannung kleiner sei als ein wählbares Minimum, oder größer sei als ein wählbares Maximum, oder endlich einen Wert zwischen den gewählten Minimal- und Maximalwerten habe.

In Betracht gezogene Druckschriften: Pflier, » Elektrische Messung mechanischer Größen«, 2. Auflage, S. 64 bis 70; deutsche Patentanmeldung A 3703 IX/42b.