NL194213C - Werkwijze en schakelinrichting voor het uitvoeren van een contactloze capacitieve afstandsmeting tussen een roterend langwerpig lichaam en meetsonden. - Google Patents

Description

1 194213

Werkwijze en schakelinrichting voor het uitvoeren van een contactloze capacitieve afstandsmeting tussen een roterend langwerpig lichaam en meetsonden

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en schakelinrichting voor het uitvoeren van een contactloze 5 capacitieve afstandsmeting tussen een lichaam en ten minste twee meetsonden, die zodanig zijn aangebracht dat zij de afzonderlijke, de afstand tussen een respectieve meetelektrode en het lichaam representerende capaciteitswaarde opnemen, en het lichaam zelf ten opzichte van zijn omgeving een totaalcapaciteit vormt, waarbij a. een meetsonde met voorgegeven dragerfrequentie wordt bedreven, 10 b. al deze dragerfrequenties onderling verschillend over een bepaald bedrag worden gekozen.

Een dergelijke werkwijze en inrichting zijn bekend uit het Amerikaanse octrooischrift nr. 3.990.005. Daarin wordt een capacitief meetsysteem beschreven, waarbij twee meetsonden gebruikt worden, die met onderling in geringe mate verschillende frequentie worden geëxciteerd en gelegen zijn op tegenover gelegen zijden van het te meten lichaam, dat bestaat uit een plaat of ander werkstuk of element, waarvan de dikte moet 15 worden bepaald. Het systeem volgens het Amerikaanse octrooischrift is daarbij specifiek bedoeld voor het meten van de dikte van een voorwerp.

Het is nu het doel van de uitvinding een dergelijk systeem te benutten en geschikt te maken voor dynamische metingen aan om een as roterende langwerpige lichamen.

Bij de dynamische, mechanische meting van bijvoorbeeld snelroterende gascentrifuges in vacuüm is het 20 vereist om gelijktijdig in meerdere (10-30) vlakken de bewegingen van de lange rotor te meten. Aangezien de tijdtoekenning van de wegsignalen van grote betekenis is, moeten alle ingezette meetsystemen tegelijk en continu werken. Bij de centrifuge als meetobject heeft men echter te maken met het verzwarende feit dat de rotor voor het grootste deel kan bestaan uit niet-geleidend materiaal en alle componenten (ook de metaaldelen) tijdens het bedrijf niet galvanisch met de referentiepotentiaal verbonden zijn, zodat uitsluitend 25 via de capaciteit, welke de rotor samen met de recipiënt vormt, een koppeling ten opzichte van de referentiepotentiaal kan worden bereikt. Zodoende is een wederzijdse beïnvloeding van de meetsignalen voor het meetobject onvermijdelijk.

Metingen aan nagenoeg niet-geleidende lichamen zijn met aanvaardbare kosten slechts uitvoerbaar met systemen die werken op capacitieve basis, in het bijzonder wanneer het object zich in vacuüm bevindt. Zo 30 staan bijvoorbeeld capacitieve wegmeetsystemen van de firma DISA (DISA Elektronik GmbH., 7500 Karlsruhe) ter beschikking, die aan het begin van de ontwikkeling van de nieuwe centrifugegeneratie ook met succes werden ingezet. Bij dit systeem wordt de afstandsverandering als capaciteitsverandering gemeten, en in de vorm van een frequentiemodulatie, aangezien de van belang zijnde "afstandscapaciteit” bestanddeel van de oscillatortrilkring is, aan een geschikte verwerkingsschakeling toegevoerd. De oscillato-35 ren werken in het frequentiegebied van 4-6 MHz. De daadwerkelijke frequentie wordt nu evenwel niet uitsluitend door de momentaan gemeten afstand bepaald, maar door veel parasitaire invloeden gesuspendeerd zoals constructievorm van de meetsonde, constructieonderdeelstrooiingen in de oscillator, lengte en ligging van de verbindingskabel-meetsonde/afstemsteker/oscillator en omgevingstemperatuur.

Zo lang slechts één meetsysteem per meetobject wordt gebruikt, hebben ai deze invioedmogelijkheden 40 slechts geringe uitwerkingen op de juistheid van het meetresultaat, vooral wanneer het om korttijdlge metingen gaat en steeds direct voor de eigenlijke meting een afzonderlijke calibrering wordt uitgevoerd.

Wanneer veel systemen op een niet galvanisch verbonden, slechts capacitief verkoppeld meetobject werken, beïnvloeden alle oscillatoren elkaar over de gemeenschappelijke koppelcapaciteit-rotor/recipiënt. Wanneer oscillatoren werken op frequenties, waarvan de mengproducten in de overdrachtsbandbreedte van 45 de ingezette demodulatoren vallen, produceren zij uitgangssignalen, die in het geheel niet van het meetobject afkomstig zijn. Foutinformaties kunnen daarom bij de gebruikelijke systemen niet algemeen worden uitgesloten.

Additioneel is de lange tijdconstante bij de ter beschikking staande systemen zo slecht, dat veelvuldig nacalibreren nodig is, hetgeen met groot verbruik aan tijd, en bij lopende centrifuges zelfs nog met een 50 hoog risico, verbonden is.

Het doel van de uitvinding is nu de eerdergenoemde werkwijze en de schakelinrichting voor het toepassen daarvan zodanig uit te voeren dat constructief parasitaire invioedmogelijkheden, bijvoorbeeld door wederzijdse beïnvloeding invioedmogelijkheden, bijvoorbeeld door wederzijdse beïnvloeding van de systemen op het meetresultaat, zo klein gehouden kunnen worden, dat in het totaal een wegmeetsysteem 55 met goede lange tijdconstante en hoge gevoeligheid wordt verkregen.

In het bijzonder gaat het er daarbij om een meetsysteem voor de wegmeting aan snel lopende centrifugerotoren, die uit niet-geleidend materiaal zijn vervaardigd en in bedrijf via een koppelcapaciteit-rotor/ 194213 2 recipiënt met de referentiemassa verbonden zijn, te ontwikkelen. Daarbij moest in aanmerking genomen worden dat gelijktijdig een groter aantal eenheden op hetzelfde meetobject werken, een wederzijdse beTnvloeding van de uitgangssignalen principieel uitgesloten moest zijn, een goede meetnauwkeurigheid bij een groot arbeidsbereik vereist werd, de calibreerkosten betrokken op de bedrijfstijd minimaal zouden zijn, 5 het calibreren van het meetobject naar het laboratorium moest worden verplaatst, constructief parasitaire beïnvloedingsmogelijkheden op het meetresultaat zo klein mogelijk moesten worden gehouden, en in het totaal het wegmeetsysteem een goede lange tijdconstante moest bezitten.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt door een werkwijze zoals omschreven in de aanhef, met hef kenmerk, dat het te meten lichaam een om een as roterend langwerpig lichaam is, en dat 10 c. de signalen van de meetsonden telkens een signaalverwerkingsketen met laagdoorlaatkarakfer en dezelfde grensfrequentie doorlopen, en d. de afstanden van alle dragerfrequenties onderling groter gemaakt worden dan de grensfrequentie.

De uitvinding voorziet tevens in een schakelinrichting voor het toepassen van deze werkwijze met het kenmerk, dat het lichaam, bestaande uit een om een as roterend langwerpig lichaam, galvanisch geschei-15 den van een recipiënt is aangebracht, waarbij de recipiënt de omgeving vormt, dat de meetsonden geïsoleerd ten opzichte van de recipiënt op gedefinieerde afstanden ten opzichte van het lichaam zijn bevestigd, dat generatoren met gemeenschappelijke referentiepotentiaal de meetsonden voeden, dat de recipiënt eveneens met de referentiepotentiaal is verbonden, en dat een signaalverwerkingsketen per meetsonde aanwezig is.

20 In de volgconclusies 3-8 zijn verdere voordelige uitvoeringsvormen aangegeven.

Het capacitieve wegmeetsysteem volgens de uitvinding maakt weliswaar, evenals de reeds lang bekende, gebruik van een hoog-frequent drager, die door de capaciteitsverandering als gevolg van het afstandsverschil tussen meetsonde en objectoppervlak wordt gemoduleerd, maar in tegenstelling met deze anderen, wordt niet de frequentie (FM), maar de amplitude (AM) bij quartsstabiele frequentie veranderd.

25 Teneinde, zoals vereist is, een wederzijdse beïnvloeding van de systemen over het meetobject te vermijden, worden twee voorwaarden strikt aangehouden:

De bandbreedte van de demodulator voor het verwerken van de weginformatie is aanzienlijk kleiner dan de frequentieverschillen bij de gebruikte oscillatoren van de afzonderlijke meetsonden, en er zijn nooit twee of meer meetsystemen met dezelfde dragerfrequentie bij hetzelfde object ingezet 30 Teneinde de resultaten van de FM-apparaten niet alleen te bereiken, maar in verregaande mate te overtreffen, vindt een verhoging van de gevoeligheid van de afgeschermde meetsonde plaats door optimalisering van de verhouding van actief condensatoroppervlak tot parasitaire strooicapaciteiten bij voorgegeven maximale diameter, een 35 verhoging van de elektrische stabiliteit door reducering van de negatieve beïnvloedingsmogelijkheden aan de flensaansluiting door de toepassing van massieve componenten bij een zo kort mogelijke afstand tussen meetsonde en elektronica, een verbetering van de thermische stabiliteit door gebruik van een speciaal getempereerd, dubbelwandig huis, waarbij door de chemische veredeling van het oppervlak van het buitenhuis (kleine e) zowel het energie-40 verbruik alsook de beïnvloeding door de omgeving tot een minimum gebracht worden, een versterking van de afscherming zowel tegen het uittreden van de eigen alsook de negatieve beïnvloeding op grond van uitwendige HF-velden, door constructieve maatregelen, een aansluiting van de uitwendige meetsonde aan een capacitieve brug met optimale gevoeligheid, welke tegelijk nog een gedeelte van de uitgangstrilkring van de HF-vermogenseindtrap vormt, een 45 toepassing van voor temperatuur gecompenseerde onderdelen (TK=0), een stabilisering van de HF-amplitude voor het voeden vem de brug (AGC) over het volledige arbeidsbereik van de meetsonde met behulp van de andere brughelft en onder mede in aanmerking nemen van equivalente demodulatoronderdelen (gelijkrichterdioden en Darlingtontransistoren), en een voor industriële toepassing geschikte opwerking van de uitgangssignalen als opgedrukte stromen voor een 50 verwerking op afstand met onverminderde nauwkeurigheid.

Met het inzetten van het wegmeetsysteem volgens de uitvinding in grotere aantallen stuks bij de eindafname van centrifugerotoren, die wegens de grote kosten voor wat betreft tijd en apparatuur in laagsgewijs bedrijf wordt uitgevoerd, kunnen de volgende voordelen worden bereikt: een door het systeem voorgeschreven uitsluiten van nagenoeg alle foutmogelijkheden bij de wegmeting aan 55 centrifugerotoren verhoging van de meetnauwkeurigheid enorme tijdbesparing door minimale calibreringswerkzaamheid ter plaatse 3 194213 reproduceerbare resultaten over lange tijdsruimtes zonder hercalibrering vermindering van de besteding aan apparatuur reducering in kosten zowel bij het aanschaffen alsook bij het lopend bedrijf van de systemen (geen kostbaar calibratiemechanisme (nodig).

5 De uitvinding wordt in het volgende nader toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld onder verwijzing naar de tekening.

In de tekening toont: figuur 1 een schematische weergave van een recipiënt voor een centrifugerotor, uitgerust met een 10 capacitief meetsysteem, figuur 2 een schematische weergave van de onderhavige werkwijze, en figuur 3 een blokschema van een uitvoeringsvoorbeeld van de daarbij gebruikte elektronica-eenheid.

Zoals getoond in figuur 1, bevindt zich in een geaarde (12) recipiënt 1, die uit een goed geleidend materiaal, 15 zoals bijvoorbeeld aluminium, bestaat, een nagenoeg wrijvingsvrij gelegerde en daarbij niet potentiaal gebonden rotor 2, die met hoge snelheid ronddraait. Binnen deze recipiënt 1 heersen vacuüm-omstandigheden 3. Op grond van de gegeven geometrische condities vormen rotor 2 en recipiënt 1 een cilindercondensator 10. Indien voor het opmeten van de bewegingen van de rotor 2 capacitieve meet-elektroden 4 via geïsoleerde, vacuümdichte doorvoeren 5 op een gedefinieerde afstand ten opzichte van de 20 rotor worden gebracht, vormen deze ten opzichte van de rotor 2 de capaciteiten (9) Cx1 tot Cxn, waarvan de capaciteitswaarden steeds een maat voorstellen voor de afzonderlijke afstanden van de afzonderlijke sonden 4, 5, 6 ten opzichte van het meetobject 2. Indien nu meerdere wisselspanningsgeneratoren 8 met gemeenschappelijke referentiepotentiaal 11 via hun inwendige weerstanden (7) R, tot Rn deze sonden 4, 5, 6 voeden, zullen de stromen I, tot ln via de condensatoren (9) Cx1 tot Cm op de rotor 2 lopen en vandaar 25 via de gemeenschappelijke cilindercondensator C2yl (10) naar de recipiënt 1, die eveneens met de referentiepotentiaal 11 van de wisselspanningsgeneratoren 8 verbonden is. De stroom I door deze condensator 10 is derhalve de som van alle afzonderlijke sondestromen lx1 tot lxn en veroorzaakt zodoende de spanningsafval U.

Indien nu bijvoorbeeld alleen de signaalwegen van de beide eerste wisselspanningsgeneratoren 8 in 30 aanmerking worden genomen, kan de volgende betrekking worden opgesteld:

UQi = I, * R, + U, = I, * R, + Ux1 + U

Uej = l2 * R2 + U2 = l2 * R2 + U* + U

Als meetsignalen staan voor de verwerking slechts de spanningen U1 en U2 ter beschikking, die zowel uit de eigenlijk van belang zijnde meetgrootheden Ux1 en alsook voor de beiden gemeenschappelijke 35 spanning U over de cilindercondensator Ccll worden samengesteld. Door de additie van de beide wisselstromen in deze gemeenschappelijke koppelcondensator CcU beïnvloeden de signalen elkaar wederzijds. Indien de dragerfrequenties (f1 en f2) dicht bij elkaar gelegen zijn, ontstaat bij de superponering van de wisselgroot-heden een zweving. De effecten op de oorspronkelijke meetsignalen hangen sterk af van de verhouding zowel van de frequenties alsook van de amplitudes. Beïnvloed worden zowel amplitude alsook frequentie.

40 Meestal is de resulterende trilling geen periodieke functie meer, hoewel deze uit periodieke, sinusvormige trillingen wordt samengesteld. Al naar verschil bij de dragerfrequenties fn van de capacitieve meetsystemen worden zodoende signalen opgewekt, die niet afkomstig zijn van het meetobject 2. Zij zijn van de bruikbare signalen niet te onderscheiden.

Figuur 2 toont een schematische weergave van de onderhavige werkwijze, waarmee correcte meet-45 resultaten zijn te verkrijgen. Aan de capacitieve meetsonden (4, 5, 6) is telkens een elektronica-eenheid (28 respectievelijk E) E1t E2...En met gemeenschappelijke referentiepotentiaal 11 toegekend, welke een generator G en een signaalverwerkingsketen S bevat.

De invloed van de capaciteit Ccil (10) op het meetresultaat wordt enerzijds daardoor opgeheven, doordat aan de meetsonden 4, 5, 6 verschillende dragerfrequenties f„ f2...fn worden toegekend, en anderzijds, 50 doordat de signaalverwerkingsketens S1( S2...Sn een laagdoorlaatkarakter met de grensfrequentie fg vertonen, waarbij steeds moet zijn gewaarborgd, dat de afstanden Afn van de dragerfrequenties f1( f2...fn onderling wezenlijk groter moet zijn dan de grensfrequentie fg.

Het beleggingscriterium voor de grensfrequentie fg vormt het frequentiegebied van de te verwerken bruikbare signalen van de sonden 4, 5 en 6.

55 De van de meetsonden 4, 5, 6 afkomende signalen bevatten ook de parasitaire zwevingsfrequenties fx1, ί^.,.ίχη, die evenwel als boven de grensfrequentie fg van de signaalverwerkingsketen S liggen en daarom bij de verwerking niet in aanmerking genomen worden.

Claims (8)

194213 4 Figuur 3 toont het schakelschema van een uitvoeringsvoorbeeld van de elektronica-eenheid 28 of E, welke zowel de generator G alsook de signaalverwerkingsketen S bevat. Een quarts-stabiele HF-oscillator 8 voedt via een amplituderegelaar 13 de HF-eindtrap 14, waarop een capacitieve brug 15 is aangesloten. De meetsonde 4, 5, 6 vormt één van de vier brugcondensatoren. Met de demodulator 16 worden van elke 5 brughelft, derhalve zowel van de vaste alsook van de over de sonde 4, 5, 6 veranderlijke tak, uitgangssignalen UM (17) en UR (18) opgewekt. De spanning van de vaste brugtak UR (18) dient enerzijds voor het stabiliseren van de HF-amplitude via de regelaar 13, waaraan daartoe nog de hoog-stabiele referentie-spanning 24 wordt toegevoerd. Anderzijds vormt zij samen met de spanning UM (17), die door de capaciteitsverandering van de meetsonde 4, 5, 6 als gevolg van de afstandsverandering ten opzichte van 10 het meetobject 2 wordt beïnvloed, via de verschilversterker 19 het eigenlijke bruikbare signaal. Ter vermijding van aardlussen wordt het signaal, galvanisch gescheiden 20, toegevoerde aan een U/l-omzetter 21, die dan een opgedrukte stroom aan de uitgang ter beschikking stelt. Door een geschikte uitwendige afsluitweerstand 23 wordt het stroomsignaal na de stoorvrije overdracht ook over grotere afstanden 22 weer omgevormd in een spanning en staat het voor verdere verwerking ter beschikking. 15 Ter vermijding van temperatuursinvloeden op de signaalopwekking en -verwerking is het huis 28 tweeschalig uitgevoerd. Het binnenhuis wordt via een temperatuurregelaar 25 op een constante waarde gehouden. Daartoe meet deze regelaar de werkelijke temperatuur van het huis via een sensor 26 en vergelijkt deze met de hoog-stabiele referentiespanning 24. De uitgang daarvan voedt de oppervlakverhitting 27 van het inwendige huis. 20 Voor test- en calibreerdoeleinden staan de noodzakelijke hulpmiddelen 31 de gebruiker ter beschikking, teneinde deze werkzaamheden in bedrijfsmatige toestand te kunnen uitvoeren. De totale elektronica-eenheid wordt gevoed door een uitwendige stroomvoorziening 30. Aangezien de inzetplaats van de eenheid zeer variabel is en zodoende ook de lengte van de verbindingskabels tot de stroomvoorziening 30 zeer verschillend kan zijn, is bovendien een inwendige meervoudige stroomvoorzie- 25 ning 29 aanwezig, die de verliezen op de voedingsleiding uitregelt en ook de potentiaalvrije voedingsspanningen voor de scheidingsversterker 20 ter beschikking stelt. 30

1. Werkwijze voor het uitvoeren van een contactloze capacitieve afstandsmeting tussen een lichaam en ten minste twee meetsonden, die zodanig zijn aangebracht dat zij de afzonderlijke, de afstand tussen respectieve meetelektrode en het lichaam representerende capaciteitswaarde opnemen, en het lichaam zelf ten opzichte van zijn omgeving een totaalcapaciteit vormt, waarbij 35 a. een meetsonde met voorgegeven dragerfrequentie (fn) wordt bedreven, b. al deze dragerfrequenties (fn) onderling verschillend over een bepaald bedrag worden gekozen, met het kenmerk, dat het te meten lichaam een om een as roterend langwerpig lichaam is, en dat c. de signalen van de meetsonden (4,5, 6) telkens een signaalverwerkingsketen (S) met laagdoorfaat-karakter en dezelfde grensfrequentie (fg) doorlopen, en 40 d. de afstanden (Afn) van alle dragerfrequenties (fn) onderling groter gemaakt worden dan de grens-frequenfie (fg).

2. Schakelinrichting voor het uitvoeren van een contactloze capacitieve afstandsmeting tussen lichaam en ten minste twee meetsonden die zodanig zijn aangebracht, dat zij de afzonderlijke, de afstand tussen een respectieve meetelektrode en het lichaam representerende capaciteitswaarde opnemen, en het lichaam zelf 45 ten opzichte van zijn omgeving een totaalcapaciteit vormt, waarbij a. elke meetsonde met voorgegeven dragerfrequentie (fn) wordt bedreven, b. al deze dragerfrequenties (fn) onderling verschillend over een bepaald bedrag wordt gekozen, met het kenmerk, dat het lichaam (2), bestaande uit een om een as roterend langwerpig lichaam, galvanisch gescheiden van een recipiënt (1) is aangebracht, waarbij de recipiënt (1) de omgeving vormt, 50 dat de meetsonden (4, 5, 6) geïsoleerd ten opzichte van de recipiënt (1) op gedefinieerde afstanden ten opzichte van het lichaam (2) zijn bevestigd, dat generatoren (G) met gemeenschappelijke referentie-potentiaal (11) de meetsonden (4, 5, 6) voeden, dat de recipiënt (11) eveneens met de referentie-potentiaal (11) is verbonden, en dat een signaalverwerkingsketen (S) per meetsonde (4, 5, 6) aanwezig is.

3. Schakelinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de signaalverwerkingsketens (S) met de aan de meetsonde (4, 5, 6) toegevoegde generator (G) in een gemeenschappelijk, de referentiepotentiaal (11) vormend huis (28) zijn ondergebracht 5 194213

4. Schakelinrichting volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de generator (G) een hoogfrequent- . oscillator (8) met een dragerfrequentie (f1...fn) vertoont, die via een amplituderegelaar (13) een hoogfrequenteindtrap (14) voedt, op welke een capacitieve brug (15) met de betreffende meetsonde (4, 5, 9. als brugcondensator is aangesloten, en dat een demodulator (16) van elke brugtak een uitgangssignaal 5 (UM, UR respectievelijk 17,18) opwekt.

5. Schakelinrichting volgens één der conclusies 2-4, met het kenmerk, dat de demodulator (16) met een verschilversterker (19), een scheidingsversterker (20) en een U/l-omzetter (21) de signaalverwerkingsketen (s) vormt.

6. Schakelinrichting volgens één der conclusies 2-5, met het kenmerk, dat de spanning (Uh) van de vaste 10 brugtak dient als stabilisering van de hoogfrequent-amplitude over de regelaar (13).

7. Schakelinrichting volgens één der conclusies 2-6, met het kenmerk, dat aan de regelaar (13) een hoogstabiele referentiespanning (24) wordt toegevoerd.

8. Schakelinrichting volgens één der conclusies 2-7, met het kenmerk, dat een temperatuurstabilisering (25-27) aanwezig is. Hierbij 3 bladen tekening