DE2539212C2

DE2539212C2 - Einrichtung zur kapazitiven Längen- oder Dickenmessung

Info

Publication number: DE2539212C2
Application number: DE2539212A
Authority: DE
Inventors: Robert C. Newton Mass. Abbe; Noel S. Needham Heights Mass. Poduje
Original assignee: ADE CORP WATERTOWN MASS US
Current assignee: ADE CORP WATERTOWN MASS US
Priority date: 1974-09-03
Filing date: 1975-09-03
Publication date: 1985-02-07
Also published as: CA1052886A; JPS6155043B2; GB1525695A; JPS61209302A; DE2539212A1; US3990005A; JPS5155253A; JPS6253762B2

Description

— daß die Meßfühleranordnung zwei Meßfühler umfaßt, denen als Anregungssignale Wcchselstromsignale unterschiedlicher Frequenz zuführbar sind, derart, daß das Potential des Meßobjektes periodisch mit der Frequenz, der beiden Frequenzen um einen festen Wert (z. B. Null) schwankt,

— daß eine Schaltung (20) zur additiven oder subtraktiven Überlagerung der Augangssignale der beiden Meßfühler (14, 16) vorgesehen ist, und daß der Ausgang dieser Schaltung (28) mit einem Spitzenwertdetektor (32) verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Meßfühleranordnung zwei Meßfühler (84, 104) umfaßt, denen als Anregungssignale alternierende elektrische Signale entgegengesetzter Polarität zuführbar sind,

— und daß das von diesen Signalen am On des Meßobjektes erzeugte elektrische Feld dieses auf ein festes Potential (z. B. Erdpotential) bringt.

4. l.inrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meßfühler (14, 16) auf gegenüberliegenden Seiten des Meßobjekts angeordnet sind und daß der von dem Spitzenwertdetektor (32) abnehmbare Scheitelwert der überlagerten Ausgangssignalcder beiden Meßfühler ein die Dicke des Meßobjekts kennzeichnendes Signal darstellt.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den Frequenzen der Anregungssignale dienenden Wechselstromsignale klein ist im Vergleich zu deren Frequenz.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Meßfühlern Linearisierungsschakungen (24, 26 bzw. 90, 108) nachgeordnet sind, mittels derer die Ausgangssignale der Meßfühler derart beeinflußbar sind, daß ein Ausgangssignal gewonnen wird, das dem Abstand zwischen Meßobjekt und Meßfühler direkt proportional ist

7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Kapazitäten zwischen den ersten bzw. dem zweiten Meßfühler (14,16 bzw. 84,104 bzw. 114, 116J und dem Meßobjekt (12) fließende Strom derart regelbar ist, daß das Potential an dem Meßobjekt auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, wobei die genannten Ströme gleiche Größe und entgegengesetzte Phasenlage besitzen.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Meßfühlern (14,16) Wechselspannungssignale entgegengesetzter Polarität zuführbar sind, deren Amplitude durch Steuersignale modulierbar ist, die von den Ausgangssignalen der Meßfühler dadurch abgeleitet werden, daß diese Ausgangssignale auf einem im wesentlichen konstanten Signalpegel gehalten werden.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Korrekturschaltung (174, 178,180; 176,190,192) vorgesehen sind, mittels derer Anzeigeabweichungen erster bzw. zweiter Ordnung unabhängig voneinander kompensierbar sind.

40 Die Erfindung betrifft eine Einrichtung der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art.

Die Messung von Längen oder Dicken durch Kapaz.itälsbcstimniung ist vergleichsweise unproblematisch.

wenn die Kapazität gegenüber einem elektrisch leitenden Gegenstand gemessen wird, der eine vorgegebene Polentialbez.iehung zu einem Bcz.ugspoteniial, z. B. Erde, aufweist. Wesentlich schwieriger ist die Abstandsbestimmung, wenn es sich um Gegenstänce handelt, die eine sehr hohe Impedanz, aufweisen und deren Potentialbcziehung zu dem Bezugspotential daher nicht ohne weiteres festlegbar ist. Ein Beispiel hierfür sind Abstandsmessungen an Halbleitermaterialien oder an sich bewegenden Folien. Die erwähnten Probleme resultieren daraus, daß in realen Meßschaltungen aufgrund der Undefinierten Potentialverhältnisse kapazitive Spannungsteilung auftritt, die das Meßergebnis in unkontrollierbarer Weise beeinflußt.

Bei der in der DE-PS 8 11 163 beschriebenen Anordnung zur Dickenmessung sind sowohl die Meßschaltung als auch das Meßobjekt erdsymmetrisch angeordnet. Das Meßobjekt soll eine definierte Polcntialbeziehung dadurch erhalten, daß es zwischen Einlauf- und Aushiufwalz.en geführt ist. die mil I jdpotential verbunden sind.

h·; Hs wird unterstellt, daß dadurch auch die das Mcßobjckt bildende Folie geerdet ist. Abweichungen von der Erdsymmetrie führen unvermeidlich zu Verfälschungen des Meßergebnisses. Dasselbe jiilt für eine relative Lagcän-

derung zwischen Meßobjekt und Meßfühlerelektroden. Zudem isl nicht erkennbar, wie erreicht werden kann, daß das Meßobjekt am Ort der Meßfühlerelektroden tatsächlich Erdpotential aufweisen kann, wenn seine Impedanz sehr hoch ist

Durch die DE-AS 10 50 555 ist eine Einrichtung zur elektrischen Dickenmessung bekannt, bei der das Meßobjekt zwischen die beiden Platten eines Kondensators gebracht wird. Dabei beeinflußt das Meßobjekt die Kapazität dieses Kondensators, und es werden aus der Kapazitätsänderung Rückschlüsse über die Dicke des von dem Meßobjekt gebildeten zusätzlichen Dielektrikums gezogen. Der Kondensator ist Bestandteil einer Brükkenschaltung, deren Ausgangssignal getaktet wird. Die Verstimmung des Brückengleichgewichts wird durch veränderbare Kapazitäten kompensiert, deren Kapazitätsänderung sodann als Maß für die Dicke des Meßobjekts herangezogen wird.

Es ist für die beiden vorerwähnten Anordnungen kennzeichnend, daß das Meßobjekt bzw. die es tragende Kondensatoranordnung mit nur einem MeSsignaf beaufschlagt wird, daß also nur ein Meßfühler vorgesehen ■st. Dies gilt auch für die durch die US-PS 38 05 150 bekannt gewordene Einrichtung. Bei all diesen Einrichtungen ergeben sich aufgrund der infolge der hohen Impedanz des Meßobjekts Undefinierten Potentialbeziehung desselben Probleme, die eine genaue und reproduzierbare Längen- bzw. Dickenbestimmung beeinträchtigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kapazitive Längen- oder Dickenmessung auch dann psnau und reproduzierbar vornehmen zu können, wenn das Meßobjekt eine sehr hohe Impedanz besitzt.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weilerbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen wird.

Im Gegensatz zu den oben erwähnten bekannten Einrichtungen, bei denen das Meßobjekt mit nur einem Meßsignal beaufschlagt wird, werden bei der Einrichtung gemäß der Erfindung zwei Meßfühler verwendet, die mil unterschiedlichen, gegeneinander frequenzodcr phasenverschobenen, »Anregungs«-Signalcn beaufschlagt werden. Die Schwierigkeiten, die sich daraus ergeben, daß das Meßobjekt aufgrund fehlender Erdung und/oder sehr großer Impedanz eine unbestimmte Beziehung zum Erdpotential und damit zu den Schaltungselementen der Auswerteschaltung hat, werden dadurch beseitigt, daß es durch die genannten Anregungen in einen definiert schwankenden oder einen definiert festen Potentialzustand gebracht wird.

Das definiert schwankende Potential wird gemäß Patentanspruch 2 dadurch erzeugt, daß den beiden Meßfühlern Wechselspannungen leicht unterschiedlicher Frequenz zugeführt werden, weiche bewirken, daß das Potential am Meßobjekt in regelmäßigen Zeitabständen durch Null (Erdpotential) geht. Wenn nun die Messung in diesen Zeitpunkten ausgeführt wird, ist der Einfluß der Impedanz des Meßobjekts gegenüber dem Erdpotenlial eliminiert.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des Aul'baus einer kapazitiven Meßeinrichtung für ungeerdete Meßobjekte,

F i υ. 2 ein schcmatischcs Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig.4 ein Schaltbild eines Meßfühlers zur Verwendung in einer Dickenmeßeinrichtunß,

F i g. 5 eine schematische Abbildung des Meßeinrichtungsaufbaus mit mehreren Meßfühlern als weitere Anwendungsmöglichkeit für die Einrichtung gemäß F i g. 3.

F i g. 6 ein Rückkopplungs-Linearisiei-u-.igssystem zur to Verwendung mit einer zwei Meßfühler enthaltenden kapazitiven Dickenmeßeinrichtung gemäß F i g. 3,

F i g. 7 ein schematisches Schaltbild einer kapazitiven Dickenmeßeinrichtung mit einer zur Linearisierung dienenden Rückkopplung,

is F i g. 8 ein schematisches Schaltbild einer Einstelleinrichtung zur Verminderung der Abweichungen von im allgemeinen erster und zweiter Ordnung in einer kapazitiven Dickenmeßeinrichtung und

F i g. 9 eine graphische Darstellung von charakteristisehen Abweichungen erster und zweiter Ordnung in einer kapazitiven Dickenmeßeinrichtung.

Die hier vorgeschlagene Einrichtung ist eine berührungslos arbeitende kapazitive Längen- oder Dickenmeßeinrichtung mit einer Mehrfühleranordnung zur Be-Stimmung des Abstandes zu einem Gegenstand, welcher eine beträchtliche Impedanz gegenüber Erde oder einem anderen Bezugspotential aufweist. Ein spezielles Beispiel ist die Dickenmessung, doch ist eine Einrichtung der hier vorgeschlagenen Art nicht auf diesen Verwendungszweck beschränkt.

In F i g. 1 ist eine Folie 12 als Werkstück oder Gegenstand angedeutet, dessen Dicke t durch zwei kapazitive Meßfühler 14 und 16 bestimmt werden soll, die auf einander gegenüberliegenden Seiten der Folie 12 angeordnet sind. Die Meßfühler 14 und 16 vermögen die jeweiligen Abstände A und B von den betreffenden Meßfühlern zu dem Gegenstand 12 hin kapazitiv zu bestimmen, woraus sich die Dicke t des Elementes bei Berücksichtigung des festliegenden, bekannten Abstandes zwischen den Meßfühlern 14 und 16 bestimmen läßt.

Wenn, wie in F i g. 1 gezeigt, der an der Messung beteiligte Gegenstand 12 nicht elektrisch mit Erde verbunden ist, sondern gegenüber Erde eine feste oder veränderliche, hier als Kapazität 18 angedeutete Impedanz hat, so kunn das elektrische Potential des Gegenstandes 12 vom Nullpotential abweichen. Außerdem kann der Gegenstand 12 aus einem Material hoher Impedanz bestehen, so daß selbst bei Erdung des Gegenstandes beträchtliche Potentialschwankungen auftreten können. Nachdem bei der klassischen kapazitiven Abstandsmessung angenommen wird, daß der Gegenstand, dessen Abstand kapazitiv bestimmt wird, sich auf einem festen, genau definierten Potential befindet, bewirkt das Auftreten von Potentialschwankungen Fehlmessungen und Unsicherheiten. Um dies noch deutlicher zu machen, sei angenommen, daß beispielsweise die Meßfühler 14 und 16 mit einer elektrischen Wechselspannung jeweils gleicher Frequenz angeregt werden, um die wirksame Kapazität über die Abstände A und B hinweg zu messen. Wegen des Vorhandenseins der Kapazität 18 wirkt der Gegenstand 12 als Teil eines kapazitiven Spannungsteilers, und sein Potential würde mit einem bestimmten (veränderlichen oder gleichbleibenden) Prozentsatz des elektrischen Anregungssignals schwanken, welches durch die Fühler 14 und 16 eingeführt wird. Nimmt man an, daß der Gegenstand 12 solche Form hat, daß die Kapazität 18 einen hohen Impedanzwert darstellt, so wäre die Süannune des Gegenstandes 12 ein erolierTeil

oder Prozentsatz der den Meßfühlern aufgeprägten Spannung. Die resultierende Verminderung der Spannung an den Spalten A und B würde auch die Ströme der Meßfühler 14 und 16 vermindern, die angezeigte Entfernung würde bedeutend größer und die ermittelte Dicke scheinbar bedeutend geringer.

Es isi möglich, das Potential des Gegenstandes 12 als Funktion der Anregungsspannungen bzw. der elektrischen Wechselpotentiale auszudrücken, welche den Meßfühlern 14 und 16 aufgeprägt werden. Im allgemeinen Falle ist anzunehmen, daß die Meßfühler 14 und 16 nicht mit einer elektrischen Wechselspannung gleicher Frequenz, sondern mit etwas unterschiedlichen Frequenzen angeregt werden. Demzufolge ist das Potential an dem Gegenstand 12 durch folgende Gleichung darzustellen:

cos — ((U₀-S)₄) t + (K_b-K_a) sinwr,

worin Kj und Kt, Konstanten sind, durch welche Verluste in der Schaltung, Verstärkungsfaktoren und anfängliche Signalpegel berücksichtigt werden. Ferner sind &»„ und (Ob die Kreisfrequenzen der Anregungsspannung für die Meßfühler, ω, « Wb « ω.

Wird angenommen, daß A « B, was bedeutet, daß der an der Messung beteiligte Gegenstand sich in der Mitte zwischen den Meßfühlern befindet, so geht die Umhüllende der Schwingung, welche von dem Potential V, gebildet wird, durch Null mit einer Geschwindigkeit oder einer Frequenz, welche der Differenzfrequenz aus den beiden anregenden Schwingungen entspricht. Es wird nun vorgeschlagen, diese Erscheinung dazu zu verwenden, daß eine Messung der Abstände A und B genau in demjenigen Zeitpunkt vorgenommen wird, in welchem die Umhüllende der Spannung V, gleich Null ist. Ein Schaltungssystem, welches diese Aufgabe erfüllt, ist in F i g. 2 gezeigt. Ein erster und ein zweiter Meßfühler sind wieder mit 14 bzw. 16 bezeichnet und nehmen elektrische Schwingungen einer ersten bzw. einer zweiten Frequenz von jeweils zugehörigen Oszillatoren 20 bzw. 22 auf. Der Aufbau der Meßfühler 14 und 16 und die Art ihrer Anregung können beispielsweise der US-Patentschrift 38 05 150 entnommen werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß kapazitive Meßfühler anderen Aufbaus ebenfalls verwendet werden können. Zweckmäßig werden die Ausgangssignale der Meßfühler 14 und 16 durch jeweils zugehörige Linearisierungsschaltungen 24 bzw. 26 beführt, die Näherungsschaltkreise, welche mit einem Diodendurchbruchspunkt arbeiten, enthalten, die in der Technik bekannt sind und die Aufgabe haben, die Tatsache zu kompensieren, daß bei einer kapazitiven Entfernungsmessung sich das Ausgangssignal in umgekehrter Abhängigkeit von der Entfernung ändert Die Ausgänge der Linearisierungsschaltungen 24 und 26 werden zusammen einer Schaltung 28 zur Summen- oder Differenzbildung zugeführt, wobei diese Schaltung mittels eines Wählers 30 steuerbar ist um ein Ausgangssignal zu erhalten, welches entweder die Summe oder die Differenz der Eingangssignale darstellt Die Schwingung am Ausgang der Schaltung 28 hat charakteristischerweise die Gestalt wie sie durch die obige Gleichung für die Spannung V₁ angegeben ist jedoch mit der Ausnahme, daß die Umhüllende ein positives Maximum besitzt wenn die Umhüllende der Spannung V, Null ist wenn der Summenausgang oder der Differenzausgang der Schaltung 28 gewählt-wird. Der Ausgang der Schaltung 28 wird einem Scheitelwertdetektor 32 zugeführt, welcher ein positives Maximum der Umhüllenden des von der Schaltung 28 gelieferten Signals ausgewählt. In diesem Moment ist die Spannung V, zu Null geworden und die Ablesung oder Anzeige des Scheitelwertdetektors 32 liefert ein richtiges Maß für die Dicke des Gegenstandes 12 aufgrund der zu diesem Zeitpunkt existierenden, scheinbaren Erdung dieses Gegenstandes.

Der Schcitelwcrtdetektor 32 enthält einen Differentialverstärkcr 34, dessen invertierendem Eingang die Ausgangssignale der Schaltung 28 über einen Widerstand 36 zugeführt werden. In der Verbindung von dem invertierenden Eingang des Differentialvcrstärkers 34 zu seinem Ausgang liegt eine in Sperrichtung gepolte Diode 38. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 34 ist über einen Widerstand 40 geerdet. Die Ausgangssignalc des Diffcrentialverstärkers 34 gelangen über eine in Speri ichtung mit Bezug auf den Ausgang gepolte Diode 42 zu dem nichtinvertierenden Eingang eines weiteren Differentialverstärkers 44. Außerdem hat dieser Verstärkereingang über die Parallelschaltung eines Widerstandes 46 mit einem Kondensator 48 Verbindung zur Erde. Der Ausgang des Differcntialverstärkers 44 liefert die Ausgangsanzeige bezüglich der Dicke oder Stärke des Gegenstandes 12 und ist zu dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 44 und außerdem über einen Widerstand 50 zu dem invertierenden Eingang des Differentialverstärkers 34 rückgekoppelt. Die vorstehend erwähnte Parallelschaltung des Widerstandes 46 und des Kondensators 48 dient zur Frequenzeinstellung des Scheitelwertdetektors 32, um einen Abfall des Scheitelwertcs mit einer ausreichend großen Geschwindigkeit zu erreichen, um den Änderungen der Abmessungen des zu untersuchenden Gegen-Standes folgen zu können, wobei jedoch der Abfall langsam genug sein soll, damit er nicht den Änderungen der Umhüllenden mit der Differenzfrequenz

folgt. Die Frequenzen der Schwingungen der Oszillatoren 20 und 22 liegen beispielsweise im Bereich von 3 MHz, und die Differenzfrequenz kann beispielsweise im Bereich von einigen 10 kHz liegen.

F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der hier vorgeschlagenen Meßeinrichtung, bei welcher anstelle einer Untersuchung der Fühlersignale im Moment, in welchem das Potential des an der Messung beteiligten

so Gegenstandes Null ist, die Schaltung so ausgebildet ist, daß den Fühlern 14 und 16 in solcher Weise Signale zugeführt werden, daß das Potential an dem Gegenstand Ϊ2 auf einem bestimmten Wen gehalten wird, im vorliegenden Falle auf Null. Zu diesem Zwecke ist ein einziger Oszillator 56 vorgesehen, der mit ihren Basiselektroden jeweils zusammengeschaltete Transistoren 58 und 60 enthält deren Kollektorelektroden über eine erste und eine zweite Transformatorwicklung eines Transformators 62 zur Bildung einer Rückkopplung mit weiteren Transformatorwicklungen verbunden sind, die in Reihe in den Emitterkreisen der genannten Transistoren liegen. Die Kollektoren sind zusätzlich über zueinander parallel geschalteten Kondensatoren 64 und 66 miteinander verbunden, von denen der Kondensator 66 einstellbar ist und daher eine Frequenzeinstellung erlaubt Ein Basisvorspannwiderstand 68 für die Transistoren 58 und 60 stellt die Verbindung zu einer Anschlußklemme 70 für eine Spannungsquelle her. Auch die Ver-

bindung zwischen den an die Kollektoren angeschlossenen Wicklungen des Transformators 62 hat über eine Drosselspule 74 Verbindung mit der genannten Anschlußklemme 70.

Eine Sekundärwicklung des Transformators 62 ist auf einer Seite geerdet, während die andere Seite den Osz.illatorausgang bildet. Dieser Ausgang ist auf zwei Leitungen aufgeteilt, die über Kabel 76 und 78 zu den jeweiligen Fühlerschaltungen führen. Die Wechselstrom-Anregungsspannung von dem Kabel 76 gelangt zu der Primärwicklung eines Transformators 80, wobei die jeweils andere Klemme der Wicklung geerdet ist. Die Sekundärseite des Transformators 80 besitzt zwei Wicklungen, deren jeweils eine Klemme mit einem Fühler 84 verbunden ist, während die jeweils anderen Klemmen dieser Sekundärwicklungen wechselstrommäßig über die Kondensatoren 86 bzw. 88 geerdet sind. Ein von dem Fühler geliefertes Gleichstromsignal gelangt über eine Linearisierungsschaltung 90 zu einem Wähler 92 zur Auswahl der Summenbildung, Differenzbildung oder der Bildung beider Signale, worauf weiter unten noch näher eingegangen wird.

Der Fühler 84 kann einen Aufbau haben, wie er etwa in der US-Patentschrift 38 05 150 beschrieben ist. Dabei kann anstelle der in Fig.4 gezeigten kapazitiven Ankopplung auch eine induktive Ankopplung verwendet werden. In diesem Falle wird das Ausgangssignal des Transformators innerhalb des Fühlers 84 unmittelbar an eine Diagonale einer Diodenbrücke 94 gelegt. An die andere Diagonale der Brücke 94 sind eine Bezugskapazität % bzw. die Fühlerkapazität oder Meßkapazität 98 (Ca) angeschlossen, welche die Kapazität zu dem an der Messung beteiligten Gegenstand 12 enthält.

Aus F i g. 4 ist zu entnehmen, daß die kapazitive Ankopplung gemäß der vorstehend erwähnten Patentschrift 38 05 150 leicht in gleicher Weise unter Verwendung der Kondensatoren 93 und 95 durchführbar ist, welche an eine Seite einer einzigen Transformator-Sekundärwicklung angeschlossen werden, wobei die Transformatoren dazu dienen, eine Phasenumkehr zwischen den Fühlern zu erreichen, und indem das Ausgangssignal über die Impedanzen 97 und/oder 99 von der Diodenbrückenschaltung 94 abgenommen wird.

Die über das Kabel 78 zugeführten Signale gelangen über die Primärwicklung eines Transformators 100 zu einer Fühlerschaltung. Die Sekundärscite des Transformators 100 enthält wieder zwei Sekundärwicklungen, deren eine Seite jeweils an einen Fühler 104 angeschlossen ist, um den Abstand B kapazitiv berührungslos zu messen. Die jeweils anderen Klemmen der beiden Sekundärwicklungen sind über die Kondensatoren 105 bzw. 106 wechselstrommäßig geerdet, während das Gleichstromsignal, welches zwischen ihnen auftritt, über eine Linearisierungsschaltung 108 zu der oben schon erwähnten Wählerschaltung 92 gelangt. Die Schaltung 92 wird durch einen Wähler 110 gesteuert, um an das Meßgerät 112 ein Signa! zu geben, das entweder der Summe oder der Differenz oder einem der Signale der Linearisierungsschaltungen 90 und 108 entspricht Einen nur einpoligen Eingang zu den Linearisierungsschaitungen 90 und 108 erhält man, indem man eine Parallelschaltung zu den Kondensatoren 86 und 104 vornimmt, was für die unten beschriebene Schaltung zweckmäßig sein kann.

Anhand von F i g. 3 läßt sich erkennen, daß die zu den Primärwicklungen der Transformatoren 80 und 100 gelangenden Signale bewirken, daß zu den Fühlern 84 und 104 Signale gelangen, welche genau mit 180" in Gegenphase sind, so daß die Spannung, welche dem Gegenstand 12 von den Fühlern aufgeprägt wird, jeweils um 180° außer Phase ist. Wenn also die Kapazitäten Ca und Gj nahezu gleich gemacht werden, bleibt die Spannung am Orte des Gegenstandes 12 nahe Null. Zwar können Störungen in Abweichung von diesem Idealzusuind auftreten, doch sind diese Störungen normalerweise klein und bewirken eine kleine resultierende Abweichung in dem Ausgangswert, welcher in dem Meßgerät 112 angezeigt wird. Mit der in Fig.3 gezeigten Schaltungen kann also erreicht werden, daß das Potential an dem Gegenstand 12 nahe dem Erdpotential gehalten wird, wodurch Störungen in der Dickenmeßgenauigkeit vermieden werden.

In Fig. 5 ist in allgemeiner Form ein System mit mehreren Fühlern gezeigt, woraus zu ersehen ist, daß die hier vorgeschlagene Einrichtung in beliebigen Meßsystemen verwendbar und nicht auf die Dickenmessung beschränkt ist, wobei zwei oder mehrere Fühler, insbesondere Anordnungen einander gegenüberstehender Fühler zur Anwendung kommen, um Messungen an einem ungeerdeten Gegenstand oder einem Gegenstand hoher Impedanz vorzunehmen. Das vorgeschlagene Prinzip kann in den Fällen verwendet werden, in welchen nur eine einzige Fühleranzeige zur Auswertung erzeugt werden soll. Man setzt dann ein oder mehrere zusätzliche Fühler ein, um Meßfehler oder Abweichungen, die auf dem nicht definierten Potential des an der Messung beteiligten Gegenstandes beruhen, weitgehend oder vollständig auszuschließen. Das Prinzip der Schaltung nach Fig.3 zur Aufrechterhaltung eines Nullpotentials am Orte des an der Messung beteiligten Gegenstandes 12 hat daher weitreichende Bedeutung.

Eine Weiterbildung der in F i g. 3 gezeigten Schaltung bedient sich einer Rückkopplungstechnik zur Linearisierung der Ausgangssignale der Fühler. Ein solches Rückkopplungssystem ist in F i g. 6 gezeigt. Dabei werden zwei kapazitive Fühlersysteme 114 und 116 durch eine Oszillator 117 angeregt, dessen elektrisches Ausgangs-Wechselpotentiai mittels eines Verstärkers 118 gesteuert wird. Der Oszillator 117 kann dem in Fig.3 mit 56 bezeichneten Oszillator entsprechen, wobei der Ausgang des Verstärkers 118 mit dem Leistungscingang des Oszillators verbunden ist. Die Fühlersysteme 114 und 116 nach Fig.6 entsprechen dann den übrigen Schaltungsteilen gemäß F i g. 3 vom Oszillator 56 bis zu den Fühlern 84 und 104 unter Einschluß derselben, jedoch ohne die nachgeschaltetei; Linearisierungsschaltungen oder weitere Schaltungsteile.

so Der Verstärker 118 nimmt an einem nichtinvertierenden Eingang ein konstantes Gleichspannungspotential einer Spannungsquelle 120 auf, während dem invertierenden Eingang das Ausgangssignal einer analogen Divisionsschaltung 122 zugeführt wird. Die Divisionsschal-

5i tung 122 empfängt an einem Eingang für den Nenner das Ausgangssignal des Verstärkers 118 und an einem Eingang für den Zähler das Ausgangssignal einer analogen Multiplikationsschaltung 124, deren Eingängen die Ausgangssignale der Fühlersysteme 114 und 116 zugeführt werden. Dia Dicken-Ausgangsanzeige kann von einer Summationsschaltung 126 abgenommen werden, welche die Ausgangssignale der Fühlersysteme 114 und 116 addiert Die Rückkopplungsschaltung nach Fig.6 bewirkt eine Steuerung der Amplitude der Anregungsspannung für die Fühlersysteme 114 und 116 in solcher Weise, daß der Ausgang der Divisionsschaltung 122, welcher proportional zu dem Produkt der Ausgangssignale der beiden Fühlersysteme ist, einen konstanten

Wert behält. Unter diesen Umständen ist der Ausgang der Summationsschaltung 126 direkt proportional zur Dicke, welche gemessen wird, während bei bekannten, berührungslos arbeitenden, kapazitiven Meßeinrichtungen hierfür eine umgekehrte Proportionalität charakteristisch ist.

Eine weitere Ausbildung der Rückkopplung kann in ähnlicher Weise, wie in der US-Patentschrift 37 75 679 beschrieben, aufgebaut sein. Aus F i g. 7 ist zu erkennen, daß eine Flip-Flop-Schaltung 130 mit konstanter Taktfrequenz beaufschlagt wird und eine einzige Frequenz eines Wechselstroms zur Anregung der beiden Fühler liefert. Die Ausgangssignale jeweils entgegengesetzter Polarität der Flip-Flop-Schaltung 130 gelangen über Pufferverstärker 132 zu Basisanschlüssen von Transistoren 34 und 36. Die Emitter dieser Transistoren sind über eine Diode 138, welche der Vorspannung dient, mit Erde verbunden, während die Kollektoren über einen Kondensator 140 verbunden sind, der parallel zu dualen Wicklungen eines Transformators 142 geschaltet ist. Die Mittelanzapfung der soeben genannten Wicklungen des Transformators ist über eine Drosselspule 144 eine Gleichstromquelle für die Transistoren 134 und 136. Wie weiter unten genauer ausgeführt wird, wird der Gleichspannungspegel so reguliert, daß eine Amplitudenregelung der Ausgangsspannung des Transformators 142 an der Sekundärwicklung erreicht wird, die parallel zu einem Abstimmkondensator 146 liegt und ihre Ausgangs- -.pannung an den Fühler 14 liefert. Der Fühlerausgang des Fühlers 14 wird einem Eingang eines Differentialverstärkers 148 zugeführt, zu dessen anderem Eingang eine Signalspannung konstanter Amplitude gelangt, so daß der Ausgang als Steuersignal für die Gegentaktmodulation verwendet werden kann, weiche von den Transistoren 134 und 136 vorgenommen wird, um dem Fühler 14 einen konstanten Eingangsstrom zuzuführen.

Man erkennt aus Fig.7 bezüglich des Fühlers 16 einen symmetrischen Schaltungsaufbau. Im einzelnen werden die Ausgangssignaie entgegengesetzter Polarität der Flip-Flop Schaltung 130 außerdem über weitere Pufferverstärker 132 mit entgegengesetztem Vorzeichen an die Basis weiterer Gegentakt-Modulationstransistoren 150 und 152 geführt, deren Emitteranschlüsse durch eine mit Erde verbundene Diode 154 vorgespannt sind. Die Kollektoren der Transistoren 150 und 152 sind miteinander durch eine Parallelschaltung eines Abstimmkondensators 156 und zweier Primärwicklungen eines Transformators 158 miteinander verbunden. Die Mittelanzapfung zwischen den zwei zuletzt genannten Primärwicklungen des Transformators 158 erhält ein Gleichstrom-Amplitudensteuersignal für die Gegentaktmodulation über eine Drosselspule 160 vom Ausgang eines DLfferentia'.verstärkers !62 her, um die Amplitude zu regeln, wdche von der Sekundärwicklung des Transformators 158 über den Abstimmkondensator 164 dargeboten wird, womit der Fühler 16 gespeist wird. Der Ausgang des Fühlers 16 wird einem ersten Eingang des Differentialverstärkers 162 eingegeben, dessen weiterer Eingang dasselbe Signal konstanter Amplitude aufnimmt, welches auch dem Verstärker 148 zugeführt wird. Der resultierende Gleichstromausgang wirkt über den Transformator 158 im Sinne einer Regelung der Amplitude der Gegentaktmodulation derart, daß ein konstanter Strom den Fühler 16 erreicht Wenn die erwähnten Ströme zu den Fühlern 14 und 16 gleich und in Gegenphase gehalten werden, so ergibt sich, daß das Potential des zwischen den Fühlern befindlichen Gegenstandes auf Null gehalten wird, da kein Strom über die Kapazität zwischen dem Gegenstand 12 und Erde fließt.

Die Ausgangssignaie der Verstärker 148 und 162 werden einer Schaltung 164 zugeführt, die zur Auswahl eines Summensignales oder eines Differenzsignales oder eines der beiden Eingangssignale dient, was unter Steuerung eines Wählers geschieht. Dieses Signal wird linearisiert und stellt unmittelbar die Dickenabmessung oder die Punkt-zu-Punkt-Veränderung in dem Signal

ίο oder die Entfernung des betreffenden Fühlers zu dem Gegenstand 12 dar, je nachdem, welche Wählereinstellung gewählt ist.

Anhand der F i g. 8 und 9 wird eine Schaltungseinzelheit erläutert, um eine Einstellung beispielsweise in der Schaltung nach Fig.3 vornehmen zu können, durch welche bestimmte Abweichungen anderer, allgemeiner Ungenauigkeiten in der Schaltung kompensiert werden können. Derartige Ungen;iuigkeiten können sich als Kombination einer Abweichung 170 im allgemeinen erster Ordnung und einer Abweichung 172 im allgemeinen zweiter Ordnung darstellen, wie in Fi g. 9 gezeigt ist. In einer Meßeinrichtung der in F i g. 3 gezeigten Art würde die Einstellung zur Kompensation dieser Abweichungen in den einzelnen Fühlerschaltkreisen sehr kompliziert sein, da eine gleichzeitige Einstellung verschiedener veränderbarer Widerstünde in jeder Schaltung notwendig wäre. Demgegenüber ist die Schaltung nach F i g. 8 so ausgebildet, daß diese Funktion erfüllt wird, indem ein erster Einstellwiderstand 174 betätigt wird, welcher das den beiden Fühlern zugefülirte Signal um gleiche Beträge jeweils in derselben Richtung verändert, während eine weitere Einstellung an einem veränderbaren Widerstand oder Potentiometer 176 das den Fühlern zugeführte Signal jeweils um gleiche Beträge, jedoch in jeweils entgegengesetzter Richtung verändert Betrachtet man die Verhältnisse in der Schaltung nach F i g. 3, so wird beispielsweise das von dem Oszillator 56 abnehmbare Signal, welches mittels der Kabel 76 und 78 übertragen wird, an das Potentiometer 174 gelegt, dessen verschieblicher Kontakt über jeweils gleichgroße Widerstände 178 und 180 mit den jeweils invertierenden Eingängen der Verstärker 182 und 184 Verbindung hat Die Ausgänge der Verstärker 182 und 184 sind über negative Rückkopplungswiderstände 186 und 188 zu den jeweiligen Eingängen zurückverbunden. Die Korrektur für die jeweiligen Fühler 14 und 16 wird von den invertierenden Eingängen der genannten Verstärker abgenommen und beispielsweise zu den jeweiligen Fühlerausgängen hinzuaddiert.

Dasselbe Signal, welches an das Potentiometer 174 gelegt worden ist, wird außerdem an den verschieblichen Kontakt des Potentiometers 176 gelegt. Die anderen Anschlüsse des Potentiometers 176 sind über jeweils gleiche Widerstände 190 und 192 mit den invertierenden Eingängen der Verstärker 182 und 184 verbunden. Außerdem haben die soeben genannten Anschlüsse des Potentiometers 176 über gleiche Widerstände 194 und 196 Verbindung mit dem invertierenden Eingang eines weiteren Verstärkers 198. Der Ausgang des Verstärkers 198 ist jeweils über gleichgroße Widerstände 200 bzw. 202 mit der Verbindung zwischen dem Widerstand 194 und dem einen Potentiometeranschluß des Potentiometers 176 bzw. dem Verbindungspunkt des Widerstandes 196 und dem anderen Potentiometeranschluß verbunden. Der Verstärker 198 und der umgebende Schaltungsaufbau bewirken, daß die über die Widerstände 190 und 192 übertragenen Signale je nach Einstellung des verschieblichen Kontaktes des Potentiometers 176

U

gleiche Größe, jedoch entgegengesetztes Vorzeichen haben. Gleichzeitig sind die über das Potentiometer 174 eingeführten Korrektursignale von gleicher Amplitude und gleicher Polarität. Die beiden Satze von Korrcktursignalen erfahren in den Verstärkern 182 und 184 eine 5 Summation. Im einzelnen bewirkt eine Einstellung an dem Potentiometer 176 eine Verminderung des Abweichungsgrades von im allgemeinen erster Ordnung, wie in F i g. 9 durch die Kurve 170 deutlich gemacht ist, während eine Einstellung an dem Potentiometer 174 eine io Abweichung im allgemeinen zweiter Ordnung entsprechend der Kurve 172 nach F i g. 9 beseitigt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur kapazitiven Längen- oder Dikkenmessung eines Meßobjektes, dessen Poientialbe-Ziehung zu einem Bezugspoiential (Erde) aufgrund hoher Impedanz und/oder nicht durchführbarer Erdung nicht durch äußere Beschaltungsmittcl festlegbar ist,

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— mit einer Meßfühleranordnung zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes im Bereich des Meßobjektes,

— sowie mit einer Auswerteschaltung zur Erfassung der Beeinflussung des Wechselfeldes durch das Meßobjekt und zur Ableitung der gesuchten Länge oder Dicke aus dieser Feldbeeinflussung,

dadurch gekennzeichnet.

— daß die Meßfühleranordnung wenigstens zwei Meßfühler (14, 16 bzw. 84, 104) umfaßt, denen unterschiedliche Felderregungssignale zuführbar sind,

— und daß diese Felderregungssignale so bemessen sind, daß sie am Ort des Meßobjektes ein resultierendes Feld erzeugen, durch das das Meßobjekt in einen relativ zu dem Bezugspotential definiert schwankenden oder festen Potentialzustand verbracht wird,

— und daß die Meßfühler ihre von der Position des Meßobjektes abhängigen Ausgangssignale der genannten Auswerteschaltung zuführen.

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2. Einrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet,