DE2920491C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Meßfühler zum Messen kleiner Abstände einer Meßfläche und der Oberfläche eines leitfähigen Materials. Dabei werden mit dem kapazitiven Meßfühler sowohl stetige Dickenänderungen als auch die Lage der Begrenzungskanten des leitfähigen Materials erkannt.

Die DE-AS 24 48 205 beschreibt eine kapazitive Sonde zum Füllstandmessen, bei der eine Sondenelektrode in den zu messenden Raum hineinragt. Durch das Füllgut wird das Feld der Sondenelektrode gegenüber dem Zustand ohne Füllgut deformiert. Dadurch ändern sich die Kapazitätsverhältnisse und werden in einer Auswerteschaltung angezeigt. Diese kapazitive Sonde eignet sich nicht zum Messen kleiner Wege zwischen der Sondenelektrode auf Grund ungenügender Abschirmung.

Eine spezielle Abschirmeinrichtung für Mehrspurmagnetköpfe bei der Signalaufzeichnung und/oder Wiedergabe beschreibt das DD-PS 1 29 940. Dabei besteht die Abschirmung aus einer Kombination von elektrisch leitenden und elektrisch nichtleitenden Schichten, die die Abschirmplatten bilden und einer allen Magnetsystemen gemeinsamen Felddeformationsplatte. Die Abschirmplatten befinden sich dabei zwischen den einzelnen Magnetsystemen und erhöhen die Übersprechdämpfung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Meßfühler zu schaffen, der geeignet ist, kleinste Kapazitäten zwischen dem Meßfühler und einem leitfähigen Material aufzunehmen und zu erkennen und der konstruktiv einfach aufgebaut ist und eine kleine Meßfläche besitzt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem kapazitiven Meßfühler der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es erweist sich als günstig, wenn die Meßfläche etwas aus der durch den Schirm und der ersten Elektrode gebildeten Fläche herausragt. Bei einer Berührung der Meßfläche des allseitig isolierten Koppelstiftes mit dem leitfähigen Material werden dadurch Kurzschlüsse zwischen den anderen leitfähigen Teilen vermieden.

Für verschiedene Meßverfahren kann die Form des Meßfühlers speziell ausgebildet sein. Soll vorzugsweise der Abstand gemessen werden, ist es günstig, wenn der Querschnitt des Schirmes rund ist. Für die Lagebestimmung der Begrenzungskanten des leitfähigen Materials ist ein rechteckiger Querschnitt des Schirmes günstig.

Durch Veränderung des Abstandes verändern sich die Kapazitäten zwischen dem Schirm, der ersten Elektrode und dem Koppelstift. Beim Anlegen einer Wechselspannung an den Eingang erscheint am Ausgang eine Ausgangswechselspannung, die von dem Abstand abhängt.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels und Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 die Meßanordnung des kapazitiven Meßfühlers,

Fig. 2 den Schnitt A-A durch die Meßanordnung,

Fig. 3 das Ersatzschaltbild,

Fig. 4 und 5 weitere Ausführungsvarianten.

Der kapazitive Meßfühler 1 dient zum Messen des Abstandes d₁ eines leitfähigen Materials 2 oder auch zur Lagebestimmung der Begrenzungskanten des leitfähigen Materials 2. Fig. 1 zeigt die Meßanordnung unter Verwendung des kapazitiven Meßfühlers 1.

Gemäß Fig. 2 besteht der kapazitive Meßfühler 1 aus einem geerdeten Schirm 3 in Form eines oben geschlossenen Hohlkörpers. Innerhalb des Schirmes 3 befindet sich eine erste Elektrode 4. Oberhalb der Elektrode 4 ist eine zweite Elektrode 5 angeordnet. In einer Öffnung der Elektrode 4 und in einer Vertiefung der Elektrode 5 befindet sich ein Koppelstift 6 mit einer Meßfläche 7. Die Meßfläche 7 ragt dabei etwas aus der durch die untere Begrenzung des Schirmes 3 und der Elektrode 4 gebildeten Fläche heraus, um Kurzschlüsse zwischen den leitfähigen Teilen beim Aufsetzen auf das leitfähige Material 2 zu vermeiden.

Der Zwischenraum zwischen dem Schirm 3, den Elektroden 4, 5 und dem Koppelstift 6 ist dabei mit einem Dielektrikum 8 niedriger Dielektrizitätskonstante ausgefüllt, wodurch diese Teile untereinander galvanisch isoliert sind. Die Wandstärke des Dielektrikums 8 zwischen den einzelnen Teilen ist dabei günstigerweise gleich groß.

Innerhalb des Schirmes 3 und oberhalb der Elektrode 5 befindet sich ein Verstärkerelement 9. Der Schirm 3 weist zwischen den Elektroden 4; 5 einen Entkoppelvorsprung 10 auf, wodurch die störende Kopplung zwischen den Elektroden verringert wird.

Die Elektrode 4 ist durch eine erste Bohrung 11 des Schirmes 3 mit dem Eingang E, die zweite Elektrode 5 mit dem Verstärkereingang und der Verstärkerausgang durch eine zweite Bohrung 12 des Schirmes 3 verbunden.

Die Wirkungsweise des kapazitiven Meßfühlers läßt sich am besten mit dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 3 erklären. Es bestehen folgende Kapazitäten:
Die Kapazität C _{k 1} zwischen der Elektrode 4 und dem Koppelstift 6, die Kapazität C _{k 2} zwischen dem Koppelstift 6 und der Elektrode 5 und die Meßkapazität C _x zwischen dem Koppelstift 6 und dem auf Massepotential liegenden leitfähigen Material 2.

Weiterhin bestehen parasitäre Kapazitäten C _{p 1} zwischen dem Koppelstift 6 und dem ebenfalls auf Massepotential liegenden Schirm 3 und C _{p 2} zwischen den Elektroden 4; 5, die durch die konstruktive Gestaltung klein gehalten werden. Weitere Kapazitäten bestehen zwischen dem Schirm 3 und der Elektrode 4 mit der Kapazität C _{M 1} sowie dem Schirm 3 und der Elektrode 5 unter Einschluß der parallel liegenden Eingangskapazität des Verstärkerelementes 9 mit der Kapazität C _{M 2}. Die Kapazität C _{M 1} hat aber keine Verfälschung des Meßergebnisses zur Folge, sondern ihr störender Einfluß macht sich lediglich in einer Belastung der Versorgungswechselspannung U _o bemerkbar. Die Kapazität C _{M 1} ist deshalb in Fig. 3 nur angedeutet.

Wird an den Eingang E die Versorgungswechselspannung U _v gelegt, so teilt sich die Spannung über den Kapazitäten des kapazitiven Meßfühlers 1 auf.

Durch den Entkopplungsvorsprung 10 wird die parasitäre Kapazität C _{p 2} vernachlässigbar klein. Damit ergibt sich für die Ausgangsspannung U _a in Abhängigkeit von dem zu messenden Abstand d₁

Es wird durch die spezielle konstruktive Gestaltung die parasitäre Kapazität C _{p 1} klein gehalten, weil der Einfluß von C _{p 1} den eigentlichen Meßeffekt unterdrückt.

Die veränderliche Kapazität ist C _X , die durch den veränderlichen Abstand der Meßfläche 7 des Koppelstiftes 6 gegeben ist.

Claims (3)

1. Kapazitiver Meßfühler zum Messen kleiner Abstände zwischen einer Meßfläche und der Oberfläche eines leitfähigen Materials, gekennzeichnet dadurch, daß sich innerhalb eines oben geschlossenen Schirmes (3) an dessen unteren Ende eine mit dem Schirm (3) abschließende erste Elektrode (4) befindet, daß oberhalb der ersten Elektrode (4) eine zweite Elektrode (5) angeordnet ist, daß sich in einer Öffnung der ersten Elektrode (4) ein Koppelstift (6) mit einer Meßfläche (7) befindet, daß die Meßfläche (7) mit dem Schirm (3) und der ersten Elektrode (4) abschließt, daß der Zwischenraum zwischen dem Schirm (3), den Elektroden (4; 5) und dem Koppelstift (6) mit einem Dielektrikum (8) ausgefüllt ist, daß sich innerhalb des Schirmes (3) und oberhalb der zweiten Elektrode (5) ein Verstärkerelement (9) befindet und daß die erste Elektrode (4) mit einem Eingang (E) für Wechselspannung, die zweite Elektrode (5) mit dem Verstärkereingang (G) und der Verstärkerausgang (D) mit dem Ausgang (A) des kapazitiven Meßfühlers elektrisch verbunden ist.

2. Kapazitiver Meßfühler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Verstärkerelement (9) ein Feldeffekttransistor ist, dessen Gateelektrode den Verstärkereingang (G) und dessen Drain-elektrode den Verstärkerausgang (D) bildet, und dessen Sourceelektrode (S) mit dem Schirm (3) verbunden ist.

3. Kapazitiver Meßfühler nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Schirm (3) zwischen der ersten und zweiten Elektrode einen Entkoppelvorsprung (10) aufweist.